Des physiciens de Leipzig ont déduit les célèbres équations d'Einstein à partir de l'information quantique. La gravité, et l'espace lui-même, ne sont peut-être pas fondamentaux : ils ne seraient que l'apparence « extérieure » de l'information d'un champ quantique.
Une pomme tombe vers le sol, la Lune tourne autour de la Terre, la lumière se courbe près des étoiles. Il y a plus d'un siècle, Albert Einstein a expliqué pourquoi : la masse et l'énergie courbent l'espace-temps, et tout le reste ne fait que suivre ces courbures. Ses équations fonctionnent à la perfection, des orbites des planètes aux trous noirs. Mais elles ne répondent pas à une question plus profonde : pourquoi l'espace est-il même capable de se courber ? Qu'est-il réellement ? Un nouveau travail des physiciens théoriciens Philipp Dorau et Albert Much, de l'Institut de physique théorique de l'université de Leipzig, publié dans Physical Review Letters, l'une des revues de physique les plus prestigieuses au monde, propose une réponse saisissante. Les équations d'Einstein peuvent être déduites de l'information quantique, celle qui est inscrite dans le champ quantique, ce fond invisible qui traverse tout l'Univers.
Cette idée a un illustre précédent. En 1995, le physicien américain Ted Jacobson a montré que les équations d'Einstein pouvaient être obtenues à partir des lois de la thermodynamique, la science de la chaleur et de l'entropie. Dans son approche, la gravité ressemble à la pression d'un gaz : la pression n'existe pas comme force distincte, elle naît du mouvement d'innombrables molécules. De même, la gravité pourrait ne pas être une force fondamentale, mais un effet collectif de quelque chose de plus profond, des processus qui se produisent dans le champ quantique. Mais l'approche de Jacobson avait une faiblesse : l'entropie ordinaire en théorie quantique des champs se révèle infinie, et il a longtemps été impossible de mener son raisonnement jusqu'à une forme quantique rigoureuse.
Dorau et Much ont trouvé un contournement. Au lieu de l'entropie ordinaire, ils ont utilisé ce qu'on appelle l'entropie relative quantique, une mesure de la façon dont un état du champ quantique se distingue d'un autre, c'est-à-dire de la quantité d'information quantique qui les sépare. Cette grandeur, en théorie quantique des champs, est toujours finie. Les physiciens ont comparé deux états du champ quantique. Le premier est le vide, son état fondamental. En physique, ce n'est nullement le néant : il n'y a pas de particules, mais le champ quantique tremble continuellement de fluctuations, et toutes ses régions sont reliées entre elles par un réseau invisible d'intrication quantique. Le second est ce même champ, dans lequel une matière ou une énergie est apparue. Il s'est avéré que la « distinction » entre ces deux états est exactement égale au flux d'énergie du champ quantique à travers un horizon, une frontière imaginaire dans l'espace-temps. Et selon la célèbre loi de Bekenstein-Hawking, l'entropie d'un horizon, c'est-à-dire la quantité d'information qu'il peut contenir, est proportionnelle à sa surface. En reliant l'un à l'autre, les auteurs ont obtenu les équations d'Einstein, qui décrivent comment la matière quantique courbe l'espace-temps.
La conclusion principale du travail a une résonance presque philosophique : la courbure de l'espace-temps découle littéralement de la manière dont l'information quantique est stockée dans le champ quantique. Lorsque de la matière y apparaît, le motif d'intrication change, et une sorte de trace informationnelle subsiste dans le champ. C'est précisément cette trace que nous ressentons comme la gravité. La gravité pourrait donc n'être pas une force fondamentale de la nature, mais un phénomène secondaire. Et avec elle, l'espace lui-même. Ce que nous percevons comme géométrie, courbures et attraction, c'est l'apparence « extérieure » de l'information quantique. De même que l'image sur un écran n'est que l'apparence du code qui la dessine, l'espace pourrait être l'apparence de l'information inscrite dans le champ quantique. Il ne se courbe pas parce que la masse le presse comme une bille sur un tissu tendu, mais parce que l'information quantique elle-même a changé. Dans les précédents articles de notre série « Le code de la réalité », nous avons raconté comment l'information quantique peut construire la géométrie de l'espace et engendrer la matière. Le travail de Leipzig fait un pas de plus : la gravité elle-même semble naître de l'information quantique.
Il importe de comprendre les limites de ce résultat. Ce n'est pas une théorie quantique définitive de la gravité ; le principal problème non résolu de la physique reste non résolu. Les auteurs travaillent dans ce qu'on appelle l'approximation semi-classique : les champs quantiques sont considérés sur fond d'un espace-temps ordinaire, non quantique. Le calcul est effectué pour une classe déterminée d'états du champ et s'appuie sur la loi de Bekenstein-Hawking comme hypothèse de départ. Les physiciens eux-mêmes parlent de leur travail comme d'un argument rigoureux, et non d'une théorie achevée, et prévoient d'étendre l'approche jusqu'à une véritable gravitation quantique. Mais la direction est déjà évidente. Peut-être la pomme ne tombe-t-elle pas parce que la Terre l'attire. Mais parce que telle est la distribution de l'information dans le champ quantique dont l'Univers est tissé.
