Une expérience, qui vient de recevoir un financement du Conseil européen de la recherche, pourrait fournir la première preuve directe que l'espace lui-même a une structure — et que cette structure est quantique
Depuis plus d'un siècle, la physique vit avec une contradiction silencieuse en son cœur. La relativité générale d'Einstein décrit l'univers à des échelles cosmiques avec une précision stupéfiante — le mouvement des planètes, la courbure de la lumière, les ondulations de l'espace-temps provoquées par la collision de trous noirs. La mécanique quantique fait de même aux échelles les plus infimes — le comportement des particules, la structure des atomes, la nature de la lumière. Les deux théories fonctionnent. Aucune des deux ne se trompe. Et pourtant, elles sont fondamentalement incompatibles. Les unifier est considéré comme l'une des plus grandes énigmes non résolues de la science. Cela pourrait être sur le point de changer.
Il y a quelques semaines, l'Université de Cardiff a annoncé que le professeur Hartmut Grote, de l'institut de recherche sur la gravité, avait obtenu une bourse majeure du Conseil européen de la recherche pour mener une expérience révolutionnaire avec un objectif unique : trouver la première preuve expérimentale directe de la gravité quantique. L'idée derrière le projet est aussi élégante que radicale. L'espace-temps — le tissu de l'univers — pourrait ne pas être lisse et continu comme Einstein l'imaginait. Il pourrait être granulaire, pixélisé. Construit à partir d'unités quantiques discrètes à une échelle si petite qu'elle n'a jamais été mesurée directement : la longueur de Planck — une distance environ vingt ordres de grandeur plus petite qu'un proton. Ce ne sont pas des pixels que l'on peut voir. Mais dans les bonnes conditions, la théorie prédit qu'ils créent une sorte de flou quantique — une fluctuation à peine perceptible dans les positions des objets qui nous entourent.
L'équipe du professeur Grote prévoit de détecter précisément cette fluctuation. En utilisant un interféromètre laser de table — un appareil si précis qu'il peut mesurer des changements de longueur inférieurs au milliardième d'un atome — ils combineront deux technologies quantiques de pointe jamais utilisées ensemble auparavant : la lumière comprimée, qui réduit le bruit quantique dans les mesures laser au-delà des limites classiques, et la détection d'un seul photon, qui offre une précision sans précédent avec un bruit presque nul. L'expérience, baptisée « Dépistage de photons uniques pour l'interférométrie quantique de la gravité » (Single Photon Detection Interferometry for Quantum Gravity), s'appuie directement sur les technologies développées pour LIGO et Virgo — des détecteurs d'ondes gravitationnelles qui ont déjà prouvé leur capacité à capturer les plus infimes ondulations de l'espace-temps provenant de la collision de trous noirs à des milliards d'années-lumière de nous.
« Confirmer les signatures quantiques de l'espace-temps serait une réalisation épique. Cela changerait notre conception de la réalité au niveau le plus fondamental et ouvrirait des voies de recherche complètement nouvelles. Plus de cent ans après qu'Einstein a changé notre compréhension de l'espace et du temps, ce projet pourrait nous rapprocher d'un pas de l'achèvement du tableau qu'il a commencé. Je pense qu'il en serait ravi. » — déclare le professeur Hartmut Grote de l'Université de Cardiff.
Si l'expérience réussit, les implications iront bien au-delà d'une seule découverte. Un espace-temps quantifié confirmerait que l'univers n'est pas fait de champs lisses et de géométrie continue — mais de quelque chose de proche de l'information : discret, dénombrable, fondamentalement quantique. Cela validerait des concepts théoriques qui se sont tranquillement formés au fil des décennies — du principe holographique à l'idée que la géométrie de l'espace-temps émerge de l'intrication quantique. Cela signifierait que ce que nous appelons réalité physique — l'espace, le temps, la matière — n'est pas le substrat de l'univers. C'est la façon dont l'information quantique de l'univers apparaît de notre point de vue. En prime, la même expérience pourrait détecter des traces de matière noire et d'ondes gravitationnelles primordiales, les échos des tout premiers instants de l'univers. La science, comme le dit le professeur Grote, ne crie pas toujours au monde. Parfois, elle arrive comme une fluctuation à peine perceptible d'un faisceau laser sur une table de laboratoire.
