Depuis plus d’un siècle, la physique est prise entre deux descriptions incompatibles de la réalité. La relativité générale décrit la gravité comme la courbure de l’espace-temps, lisse, continue, classique. La mécanique quantique décrit tout le reste comme probabiliste, discret et fondamentalement incertain.
Les unir en une théorie de la gravité quantique est le saint Graal de la physique théorique depuis des décennies. La théorie des cordes propose des dimensions spatiales supplémentaires. La gravité quantique à boucles quantifie l’espace-temps en réseaux de spin discrets. Les deux approches quantifient la gravité, c’est-à-dire qu’elles rendent la gravité quantique. Mais une troisième voie gagne discrètement du terrain, et elle adopte l’approche opposée.
Jonathan Oppenheim, physicien théoricien à University College London, a proposé une théorie qui maintient la gravité classique et introduit plutôt un caractère aléatoire fondamental dans le monde quantique. Sa « théorie post-quantique de la gravité classique », publiée dans Physical Review X en 2023, a désormais généré suffisamment de travaux de suivi, de réponses critiques et de propositions expérimentales pour mériter l’attention de quiconque suit la quête d’une théorie unifiée.
L’idée centrale
L’idée clé d’Oppenheim est d’une simplicité trompeuse : au lieu de quantifier la gravité pour l’adapter à la théorie quantique, modifier la théorie quantique pour accommoder la gravité classique.
Dans la mécanique quantique standard, l’équation de Schrödinger fait évoluer déterministiquement la fonction d’onde d’un système jusqu’à ce que la mesure l’effondre de manière probabiliste. Oppenheim remplace l’évolution déterministe par une évolution fondamentalement stochastique. La dynamique d’un système quantique plongé dans un champ gravitationnel classique devient imprévisible à un niveau fondamental, non pas à cause de la mesure, mais parce que l’espace-temps lui-même introduit des fluctuations aléatoires dans l’évolution du système.
Ce n’est pas la même chose que l’« effondrement par mesure » de l’interprétation de Copenhague. Dans la gravité post-quantique, le caractère aléatoire est intrinsèque et continu. La règle de Born, l’outil de calcul qui donne les probabilités en mécanique quantique standard, émerge naturellement des mathématiques plutôt que d’être imposée comme un axiome.
Mathématiquement, Oppenheim a dérivé une relation de compromis rigoureuse : plus un système décohère (perd sa cohérence quantique en raison des interactions avec l’espace-temps), plus il diffuse (subit des fluctuations aléatoires de l’espace-temps). Ce compromis, a montré Oppenheim, est inévitable dans toute théorie qui couple un système quantique à un système classique.
Prédictions vérifiables
Ce qui rend la gravité post-quantique inhabituelle parmi les théories unifiées, c’est qu’elle fait des prédictions concrètes et falsifiables que les expériences actuelles peuvent tester.
Premièrement, les oscillations temporelles : si l’espace-temps est fondamentalement classique et stochastique, le rythme auquel le temps s’écoule devrait subir de minuscules fluctuations aléatoires. Les horloges atomiques de précision, qui mesurent déjà le temps avec une précision extraordinaire, pourraient détecter cette variation.
Deuxièmement, les fluctuations de masse : une masse standard placée sur une balance ultra-sensible devrait présenter des fluctuations de poids aléatoires de l’ordre de 10⁻¹⁵ g. Le prototype de 1 kg du Bureau international des poids et mesures et des étalons de masse de haute précision similaires sont, en principe, capables de détecter ce signal.
Troisièmement, une borne de bruit minimale : dans une prépublication de mars 2026, Fabiano et al. ont dérivé une borne inférieure du bruit stochastique que toute théorie de la gravité classique doit produire. Mesurer des fluctuations en dessous de ce seuil prouverait définitivement que la gravité est quantique, une falsification expérimentale nette.
Oppenheim lui-même a reconnu les faibles chances que sa théorie soit correcte. Mis au défi, il a fait un pari remarquable de 5000:1, contre sa propre théorie, avec Geoff Penington (théoricien des cordes à Stanford) et Carlo Rovelli (pionnier de la gravité quantique à boucles à l’Institut Perimeter). Si les expériences détectent les fluctuations spatio-temporelles prédites, Oppenheim gagne. Si ce n’est pas le cas, il paie.
La critique
La théorie n’est pas restée sans contestation. Sabine Hossenfelder, physicienne et critique des théories à la mode, a soutenu que si le cadre est convaincant, l’affirmation d’Oppenheim selon laquelle il reproduit la dynamique newtonienne modifiée (MOND) est erronée : la correction est linéaire dans le potentiel gravitationnel, tandis que MOND nécessite un régime non linéaire.
Plus formellement, Mark Hertzberg (Tufts/MIT) et Avi Loeb (Harvard) ont publié une critique en 2024 dans le Journal of Cosmology and Astroparticle Physics identifiant quatre problèmes spécifiques : la théorie prédit la mauvaise loi de force, son comportement de type MOND n’est pas vraiment mondien, le spectre de fluctuations prédit ne correspond pas aux observations, et il existe des incohérences théoriques dans le cadre mathématique.
Oppenheim répond que certaines de ces critiques s’appliquent à une version antérieure de la théorie et que le cadre est encore en évolution. Il décrit son propre travail comme « davantage un programme de recherche qu’une théorie aboutie », une tentative de montrer que l’approche post-quantique est mathématiquement cohérente et expérimentalement accessible, pas une réponse définitive.
Pourquoi c’est important
Que la gravité post-quantique se révèle correcte ou non, son importance réside dans l’élargissement du paysage de ce à quoi une théorie unifiée pourrait ressembler. Pendant des décennies, l’hypothèse a été que la gravité devait être quantifiée, cela a semblé être la seule voie cohérente. Oppenheim a montré qu’une théorie classique de la gravité + une théorie quantique stochastique est mathématiquement viable, ouvrant des voies expérimentales que l’approche de la seule quantification n’a jamais envisagées.
La nature décidera quelle voie est correcte. Mais pour la première fois en une génération, il existe une expérience concrète qui pourrait exclure une classe entière de théories, et cela, quel que soit le résultat, est un progrès.
Source
Oppenheim, J. « A Postquantum Theory of Classical Gravity? » Physical Review X 13, 041040 (2023). DOI : 10.1103/PhysRevX.13.041040
New Scientist : Random wobbles in time could finally solve gravity’s greatest mystery
Traduit par Lydie