Toutes les forces fondamentales de l’univers sont connues pour suivre les lois de la mécanique quantique, sauf une : la gravité. Trouver un moyen d’intégrer la gravité dans la mécanique quantique rapprocherait les scientifiques d’un pas de géant vers une « théorie du tout » qui pourrait expliquer entièrement le fonctionnement du cosmos à partir des premiers principes. Une première étape cruciale dans cette quête pour savoir si la gravité est quantique est la détection de la particule élémentaire de la gravité, le graviton, longtemps postulée. À la recherche du graviton, les physiciens se tournent maintenant vers des expériences impliquant des supraconducteurs microscopiques, des cristaux en chute libre et la rémanence du big bang.

La mécanique quantique suggère que tout est fait de quanta, ou de paquets d’énergie, qui peuvent se comporter à la fois comme une particule et une onde – par exemple, les quanta de lumière sont appelés photons. La détection des gravitons, les hypothétiques quanta de la gravité, prouverait que la gravité est quantique. Le problème est que la gravité est extraordinairement faible. Pour observer directement les effets minuscules qu’un graviton aurait sur la matière, a noté le célèbre physicien Freeman Dyson, il faudrait qu’un détecteur de gravitons soit si massif qu’il s’effondre sur lui-même pour former un trou noir.

« L’un des problèmes des théories de la gravité quantique est que leurs prédictions sont généralement presque impossibles à tester expérimentalement », explique le physicien quantique Richard Norte, de l’Université de technologie de Delft, aux Pays-Bas. « C’est la principale raison pour laquelle il existe tant de théories concurrentes et pourquoi nous n’avons pas réussi à comprendre comment cela fonctionne réellement. »

En 2015, cependant, le physicien théoricien James Quach, maintenant à l’Université d’Adélaïde en Australie, a suggéré un moyen de détecter les gravitons en tirant parti de leur nature quantique. La mécanique quantique suggère que l’univers est intrinsèquement flou – par exemple, on ne peut jamais connaître absolument la position et la quantité de mouvement d’une particule en même temps. L’une des conséquences de cette incertitude est que le vide n’est jamais complètement vide, mais qu’il bourdonne d’une « mousse quantique » de particules dites virtuelles qui apparaissent et disparaissent constamment. Ces entités fantomatiques peuvent être n’importe quel type de quanta, y compris des gravitons.

Il y a des décennies, les scientifiques ont découvert que les particules virtuelles peuvent générer des forces détectables. Par exemple, l’effet Casimir est l’attraction ou la répulsion observée entre deux miroirs placés à proximité l’un de l’autre dans le vide. Ces surfaces réfléchissantes se déplacent en raison de la force générée par les photons virtuels qui entrent et sortent de l’espace. Des recherches antérieures ont suggéré que les supraconducteurs pourraient réfléchir les gravitons plus fortement que la matière normale. Quach a donc calculé que la recherche d’interactions entre deux fines feuilles supraconductrices dans le vide pourrait révéler un effet Casimir gravitationnel. La force résultante pourrait être environ 10 fois plus forte que celle attendue de l’effet Casimir standard basé sur les photons virtuels.

Récemment, Norte et ses collègues ont développé une puce électronique pour réaliser cette expérience. Cette puce contenait deux plaques microscopiques recouvertes d’aluminium qui ont été refroidies presque au zéro absolu afin qu’elles deviennent supraconductrices. Une plaque était fixée à un miroir mobile et un laser était tiré sur ce miroir. Si les plaques se déplaçaient en raison d’un effet Casimir gravitationnel, la fréquence de la lumière réfléchie par le miroir se déplaçait de façon mesurable. Comme indiqué en ligne le 20 juillet dans Physical Review Letters, les scientifiques n’ont pas observé d’effet Casimir gravitationnel. Ce résultat nul n’exclut pas nécessairement l’existence des gravitons – et donc la nature quantique de la gravité. Il pourrait simplement signifier que les gravitons n’interagissent pas avec les supraconducteurs aussi fortement que les travaux antérieurs l’avaient estimé, explique le physicien quantique et lauréat du prix Nobel Frank Wilczek, du Massachusetts Institute of Technology, qui n’a pas participé à cette étude et n’a pas été surpris par ses résultats nuls. Malgré tout, dit Quach, c’était « une tentative courageuse de détecter des gravitons. »

Bien que la micropuce de Norte n’ait pas découvert si la gravité est quantique, d’autres scientifiques poursuivent une variété d’approches pour trouver des effets quantiques gravitationnels. Par exemple, en 2017, deux études indépendantes ont suggéré que si la gravité est quantique, elle pourrait générer un lien connu sous le nom d' »intrication » entre les particules, de sorte qu’une particule en influence instantanément une autre, peu importe où l’une ou l’autre se trouve dans le cosmos. Une expérience de table utilisant des faisceaux laser et des diamants microscopiques pourrait aider à rechercher une telle intrication basée sur la gravité. Les cristaux seraient maintenus dans le vide pour éviter les collisions avec les atomes, de sorte qu’ils interagiraient les uns avec les autres par le seul biais de la gravité. Les scientifiques laisseraient ces diamants tomber en même temps, et si la gravité est quantique, la force d’attraction gravitationnelle que chaque cristal exerce sur l’autre pourrait les enchevêtrer.

Les chercheurs rechercheraient l’intrication en projetant des lasers dans le cœur de chaque diamant après la chute. Si les particules au centre des cristaux tournent dans un sens, elles seraient fluorescentes, mais pas si elles tournent dans l’autre sens. Si les spins des deux cristaux sont synchronisés plus souvent que le hasard ne le prédit, cela suggère une intrication. « Les expérimentateurs du monde entier sont curieux de relever le défi », déclare Anupam Mazumdar, chercheur en gravité quantique à l’université de Groningue aux Pays-Bas, coauteur de l’une des études sur l’intrication.

Une autre stratégie pour trouver des preuves de la gravité quantique consiste à examiner le rayonnement de fond cosmique, la faible rémanence du big bang, explique le cosmologiste Alan Guth du M.I.T. Les quanta tels que les gravitons fluctuent comme des ondes, et les longueurs d’onde les plus courtes auraient les fluctuations les plus intenses. Lorsque le cosmos a connu une expansion stupéfiante en l’espace d’une fraction de seconde après le big bang, selon le modèle cosmologique de Guth, connu sous le nom d’inflation et largement soutenu, ces courtes longueurs d’onde se seraient étendues à des échelles plus grandes dans l’univers. Cette preuve de la gravité quantique pourrait être visible sous la forme de tourbillons dans la polarisation, ou l’alignement, des photons du rayonnement de fond cosmique.

Cependant, l’intensité de ces motifs de tourbillons, connus sous le nom de modes B, dépend beaucoup de l’énergie et du moment exacts de l’inflation. « Certaines versions de l’inflation prédisent que ces modes B devraient être trouvés bientôt, tandis que d’autres versions prédisent que les modes B sont si faibles qu’il n’y aura jamais aucun espoir de les détecter », explique Guth. « Mais s’ils sont trouvés, et que leurs propriétés correspondent aux attentes de l’inflation, ce serait une preuve très forte que la gravité est quantifiée. »

Un autre moyen de savoir si la gravité est quantique est de rechercher directement les fluctuations quantiques dans les ondes gravitationnelles, qui seraient constituées de gravitons générés peu après le big bang. L’observatoire d’ondes gravitationnelles LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) a détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles en 2016, mais il n’est pas assez sensible pour détecter les ondes gravitationnelles fluctuantes dans l’univers primitif que l’inflation a étiré à l’échelle cosmique, explique Guth. Un observatoire des ondes gravitationnelles dans l’espace, comme l’antenne spatiale à interféromètre laser (LISA), pourrait potentiellement détecter ces ondes, ajoute Wilczek.

Dans un article récemment accepté par la revue Classical and Quantum Gravity, cependant, l’astrophysicien Richard Lieu de l’Université d’Alabama, Huntsville, soutient que LIGO devrait déjà avoir détecté les gravitons s’ils transportent autant d’énergie que certains modèles actuels de la physique des particules le suggèrent. Il se peut que le graviton ait simplement moins d’énergie que prévu, mais Lieu suggère que cela pourrait également signifier que le graviton n’existe pas. « Si le graviton n’existe pas du tout, ce sera une bonne nouvelle pour la plupart des physiciens, puisque nous avons eu tellement de mal à développer une théorie de la gravité quantique », dit Lieu.

Pour autant, concevoir des théories qui éliminent le graviton pourrait ne pas être plus facile que de concevoir des théories qui le conservent. « D’un point de vue théorique, il est très difficile d’imaginer comment la gravité pourrait éviter d’être quantifiée », dit Guth. « Je n’ai connaissance d’aucune théorie sensée sur la façon dont la gravité classique pourrait interagir avec la matière quantique, et je n’arrive pas à imaginer comment une telle théorie pourrait fonctionner ».