Super Physics Smackdown : Relativité contre mécanique quantique… dans l'espace

L'une des grandes énigmes de la science moderne est que les lois qui régissent l'univers à la plus grande échelle sont entièrement différentes de celles qui régissent à la plus petite échelle.

C'est étrange parce que toute notre intuition sur l'univers est qu'il devrait être cohérent en interne plutôt qu'en contradiction avec lui-même. C'est pourquoi les physiciens sont inextricablement liés à l'idée que la relativité et la mécanique quantique doivent être les manifestations d'une idée plus grande et meilleure qui les englobe toutes les deux.

Les différences entre la relativité générale et la mécanique quantique sont si grandes que toutes les tentatives pour les concilier ont jusqu'à présent échoué. Cependant, ces tentatives ont été entièrement théoriques et cela leur donne une utilité limitée.

Par exemple, les physiciens mesurent régulièrement le phénomène quantique d'intrication en envoyant des paires de photons intriqués d'un endroit à un autre. Dans ces expériences, l'émetteur et le récepteur doivent tous deux mesurer la polarisation des photons, qu'elle soit verticale ou horizontale par exemple. Mais cela ne peut se produire que si les deux parties savent dans quelle direction est en hausse.

C'est facile à spécifier quand ils sont rapprochés. Mais cela devient beaucoup plus difficile s'ils sont séparés par des distances sur lesquelles la courbure de l'espace-temps entre en jeu. Le problème ici est que la réponse est ambiguë et dépend du chemin parcouru par chaque photon dans l'espace-temps.

Les expérimentateurs peuvent résoudre ce problème en retraçant le chemin de chaque photon jusqu'à leur source commune, si celle-ci est connue. Mais alors, comment chaque photon « connaît-il » le chemin que l'autre a emprunté ? Les théoriciens ne peuvent que deviner.

Un autre problème survient lorsque ce type d'expériences est effectué avec l'émetteur et le récepteur se déplaçant à des vitesses relativistes. Cela introduit le problème bien connu de la détermination de l'ordre des événements, dont Einstein a montré qu'il dépend du point de vue des observateurs.

Cela contraste fortement avec la prédiction de la mécanique quantique. Ici, la mesure d'un photon intriqué détermine instantanément le résultat d'une mesure future sur l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

Si la relativité restreinte garantit que l'ordre des événements est ambigu, qu'est-ce qui donne ? Une fois de plus, les théoriciens sont perdus.

Bien sûr, la façon de répondre à ces questions est de les tester et de voir.

Aujourd'hui, David Rideout de l'Université de Californie à San Diego et quelques amis décrivent différentes manières de casser ces noix et ils disent que ce genre d'expériences devrait être possible dans un proche avenir.

C'est en grande partie parce que l'équipement expérimental requis est standard dans de nombreux laboratoires d'optique, donc le qualifier pour une utilisation dans l'espace devrait être simple.

Deux groupes ont déjà proposé de faire ce genre d'expériences dans l'espace. Un groupe souhaite mettre un paquet capable de produire des photons intriqués sur la Station spatiale internationale, pour les renvoyer vers la Terre. Un autre veut garder l'équipement quantique au sol et faire rebondir des photons sur un simple microsatellite en orbite terrestre basse, une option qui, selon eux, sera moins chère, plus facile et meilleure.

Aucun des deux groupes n'a en tête de date de lancement ni même de fonds garantis pour construire son équipement. Mais cela pourrait changer, étant donné le niveau d'intérêt croissant pour ce domaine et la possibilité que le travail chinois puisse dépasser les efforts occidentaux.

Au-delà de cela, il existe des options à plus long terme pour envoyer des photons de plus loin, depuis la Lune ou un vaisseau spatial interplanétaire, par exemple.

Le tableau d'ensemble est que pour trouver une nouvelle physique, les scientifiques doivent pousser les expériences vers de nouvelles limites. Les physiciens n'ont pas pu tester la relativité générale à l'échelle quantique (c'est-à-dire l'échelle de Planck de 10^-34m). Cependant, des efforts sont maintenant en cours pour explorer cette échelle à l'aide d'interféromètres atomiques.

Et jusqu'à présent, les physiciens n'ont pas pu tester la mécanique quantique à l'échelle de la relativité générale, car les distances sur lesquelles la courbure de l'espace-temps devient significative sont si grandes. Nous avons vu il y a quelques semaines à peine que le record de téléportation d'objets quantiques n'est que de 150 km, ce qui est trop peu pour que la relativité générale opère sa magie.

Rideout et co disent que cela va changer au cours des prochaines années. Les paradoxes de la mécanique quantique ont été débattus pour la première fois par Einstein, Bohr et d'autres dans les années 1920 et 1930. Mais pour diverses raisons, dont la moindre n'était pas le préjugé aveugle contre ce type de travail, ce n'est que dans les années 1970 et 1980 que les physiciens ont commencé à les tester expérimentalement.

Les paradoxes soulevés par la rencontre de la mécanique quantique et de la relativité sont tout aussi anciens et sans doute plus profonds. Et pourtant, les physiciens doivent encore entreprendre un effort concerté pour les explorer expérimentalement.

Il est grand temps de saisir cette ortie.

Réf : arxiv.org/abs/1206.4949 : Expériences d'optique quantique fondamentale envisageables avec des satellites atteignant des distances et des vitesses relativistes

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