À l'échelle de l'univers. Le principe d'équivalence en question

Dossier Pour la SCIENCE 93 – Octobre-décembre 2016

Les promesses du monde QUANTIQUE

Domenico Giulini

L'égalité entre la masse mesurant l'invertie et la masse déterminant la gravitation est au fondement de la relativité générale : c'est le principe d'équivalence.

Les théories de la relativité générale et la théorie quantique soulèvent des problèmes d'interprétation quand on tente de tester la première à l'ide d'une expérience faisant intervenir la seconde. Une difficulté apparue lorsque des physiciens ont testé ce principe avec une expérience mettant en jeu la théorie quantique. Ces théories décrivent une grande gamme de phénomènes, sont applicables de façon universelle et ne se contredisent pas dans leurs conséquences. Des constantes fondamentales leur sont attachées. La vitesse de la lumière c et la constante gravitationnelle G pour la relativité ; la constante de Planck h, pour la théorie quantique. 

D'ordinaire les effets gravitationnels et les effets quantiques se manifestent à des échelles très différentes, de sorte que les mesurer simultanément exige des précisions énormes. Les échelles indiquées par les unités de Planck sont si petites qu'il semble exclu de pouvoir s'en approcher expérimentalement. Pour autant a-t-on besoin de construire une théorie quantique de la gravitation pour savoir si un atome tombe comme une pierre, surtout si cet atome se trouve dans un état ambigu de position.

En 1884 Heinrich Hertz décrivait que ''2 quantités de matière ont les mêmes effets gravitationnels si elles ont la même inertie, quels que soient les matériaux qui les constituent'' attendant qu'une ''explication simple et compréhensible en soit possible.'' Celle-ci vint avec la relativité générale et l'unification de l'inertie et de la gravitation par l'intermédiaire d'une structure géométrique commune à l'espace et au temps.

À l'intersection de la théorie de la gravitation et de la théorie quantique apparaissent des questions conceptuelles concernant chacune des deux théories. Jusqu'à présent les études ne furent fait qu'avec un système quantique dans un champ gravitationnel classique, la prochaine étape consisterait à décrire ce champ et ses interactions avec un atome dans le cadre de la théorie quantique. Des différences notables entre la gravitation et les autres interactions devraient se manifester. Toutes les tentatives faites pour formuler une théorie de la gravitation sont parties du principe que les règles quantiques habituelles s'appliquent à la gravitation. Ces règles n'ont fait leur preuve qu'avec d'autres interactions ce qui ne signifie pas que leur physique profonde ait été comprise.

Il existe un réel espoir de préciser les relations entretenues par la gravitation et la théorie quantique, et d'envisager le principe d'équivalence d'un point de vue quantique.