Première ! Des scientifiques (Israël, RU, Allemagne, USA) observent la gravité d’Einstein dans le monde quantique

Une équipe internationale, comprenant le physicien et prix Nobel Sir Roger Penrose, a observé pour la première fois un effet de la gravité sur un objet quantique en chute, un phénomène prédit de longue date. Ce résultat démontre qu’un principe fondamental au cœur de la théorie de la gravité d’Einstein reste cohérent avec le comportement de la matière dans le monde quantique. L’étude a été menée par l’Université Ben Gourion du Néguev (Israël), l’Université d’Ulm et l’Université d’Oxford. Depuis plus d’un siècle, les physiciens s’appuient sur deux descriptions de la nature d’une efficacité remarquable. La mécanique quantique explique le comportement étrange des atomes et d’autres objets minuscules. La théorie de la gravité d’Einstein explique comment les objets tombent et comment la gravité façonne l’Univers. Pourtant, les physiciens ne comprennent pas encore parfaitement comment ces deux théories s’articulent.

L’équipe internationale de chercheurs vient de réaliser une expérience explorant le point de rencontre entre ces deux théories. Dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont observé une modification caractéristique des propriétés quantiques d’atomes alors qu’ils chutaient sous l’effet de la gravité. Fait crucial, l’effet mesuré correspond exactement à celui prédit lorsque le principe d’équivalence d’Einstein, pierre angulaire de sa théorie de la gravité, est appliqué à un objet quantique. Le principe d’équivalence stipule que, pour un observateur en chute libre, la gravité devrait localement disparaître. Une personne tombant librement dans un ascenseur, par exemple, ressentirait une sensation d’apesanteur. Bien que cette théorie ait résisté à des tests d’une précision extraordinaire impliquant de la matière ordinaire, il restait difficile de savoir comment la vérifier expérimentalement avec des objets quantiques, lesquels peuvent se comporter comme des ondes et emprunter simultanément plusieurs trajectoires.

Au cœur de l’expérience se trouve un nouveau dispositif baptisé « interféromètre quantique de Galilée » (*Quantum Galileo Interferometer*), en hommage aux travaux de Galilée sur la gravité. Cet instrument a permis aux chercheurs de réaliser une opération inédite : scinder l’onde quantique associée à un atome en deux trajectoires distinctes, maintenir l’une d’elles en place tout en laissant l’autre chuter librement, puis les réunir pour observer comment la gravité avait modifié l’onde en chute. Ces travaux impliquant un nouveau type d’interférométrie quantique, le Pr Wolfgang Schleich, spécialiste de la théorie quantique à l’Université d’Ulm, a développé l’interprétation quantique du fonctionnement du dispositif utilisé. Mise à l’épreuve quantique d’un principe d’Einstein L’expérience a été menée à l’université Ben Gourion en utilisant des nuages ​​d’atomes de rubidium refroidis à une température juste au-dessus du zéro absolu et manipulés à proximité de la surface d’une puce à atomes spécialement conçue.

L’équipe expérimentale, dont faisait partie le doctorant Or Dobkowski, a d’abord utilisé des impulsions micro-ondes pour placer les atomes ultrafroids dans un état de superposition quantique, permettant ainsi à chaque atome de suivre simultanément deux trajectoires distinctes. Ils ont ensuite utilisé de minuscules fils électriques intégrés à la puce pour générer des champs magnétiques contrôlés avec précision. Une partie de l’onde atomique a réagi à ce champ magnétique, permettant aux chercheurs d’appliquer une force ascendante compensant exactement l’attraction gravitationnelle vers le bas. En conséquence, cette partie est restée immobile par rapport au laboratoire et à la Terre. L’autre partie a été propulsée vers le haut grâce à une impulsion magnétique contrôlée avec précision, puis basculée dans un état quasi insensible au champ magnétique, lui permettant de chuter librement sous l’effet de la gravité — suivant une trajectoire balistique, semblable à celle d’une balle lancée en l’air.

À la fin de la chute, les chercheurs ont utilisé une nouvelle impulsion magnétique contrôlée avec précision pour réunir les deux parties. Lors de cette réunion, les deux ondes ont interféré entre elles. Ces interférences ont permis aux chercheurs de mesurer la minuscule différence de phase quantique accumulée pendant que l’une des ondes chutait et que l’autre restait immobile. La phase mesurée lors de cette nouvelle expérience correspond à celle prédite lorsque l’on applique le principe d’Einstein à une telle onde quantique. Ce résultat établit donc un lien expérimental entre la physique quantique et la théorie de la gravitation d’Einstein. Bien que des expériences antérieures aient déjà utilisé des particules quantiques pour mesurer la gravité, les chercheurs affirment qu’il s’agit de la première mesure directe de la phase quantique prédite pour un objet en chute libre.

L’auteur principal, le Pr Ron Folman (université Ben Gourion du Néguev), a déclaré : « Il s’agit d’une étude unique en son genre, car elle associe une expérience complexe à une interprétation théorique de grande portée concernant l’une des questions les plus fondamentales de la physique : comment unifier la gravité (décrite par la théorie de la relativité d’Einstein) et la théorie quantique en une compréhension unique de l’univers ? Ces deux piliers de la physique moderne ont jusqu’à présent résisté à toutes les tentatives d’élaboration d’un cadre théorique unifié, mais cette expérience complexe fournit de nouveaux indices sur la manière dont une telle unification pourrait être réalisée. » 

Publication dans Science Advances 2 septembre 2026

Traduction/adaptation Esther Amar pour Israël Science Info