La mécanique quantique et l'espace-temps courbe

Selon la relativité générale, notre meilleure théorie actuelle de la gravitation, l’interaction gravitationnelle entre deux objets massifs n’est pas une force, mais une manifestation de la déformation de l’espace-temps par des objets massifs. D’après cette théorie, toute masse attire toute autre masse simplement en déformant (en courbant) l’arène spatio-temporel autour d’elle afin que l’autre masse n’ait d’autre choix que de suivre cette courbure de l’espace-temps en occupant uniquement les lieux offerts à elle, ce qui la «conduit» vers l’autre masse comme s’il y avait une force d’attraction entre les deux masses.

Selon la mécanique quantique, la théorie qui décrit le mieux le comportement d’objets quantiques comme l’électron, les propriétés physiques de ces objets sont régies par des probabilités. En d’autres termes, les équations mathématiques décrivant le comportement d’objets en mécanique quantique, ne fournissent en fait que des probabilités pour que l’objet occupe un certain lieu dans l’espace avec une certaine vitesse ou avec une certaine autre propriété physique. Pire encore, la mécanique quantique dit que l’outil mathématique décrivant de telles probabilités, et qui porte le nom de fonction d’onde, est une entité non-locale et se réduit d’une manière instantanée, et incontrôlable, à une forme bien définie dès que l’on effectue une observation sur l’objet. Cela a créé deux communautés de physiciens. Certains considèrent que ces fonctions d’onde sont inhérentes à la nature d’objets quantiques eux-mêmes, et d’autres considèrent que ces fonctions d’onde sont subjectives et ne représentent que notre manque d’informations sur les objets quantiques.

En comparant ces deux descriptions d’objets physiques, celle donnée par la relativité générale et celle donnée par la mécanique quantique, il devient clair qu’il manque quelque chose de très profond dans notre compréhension du fonctionnement de la Nature. Le conflit entre la relativité générale et la mécanique quantique est en fait connu depuis longtemps, mais ce problème est généralement attaqué par les chercheurs à travers une combinaison de la machinerie mathématique de la théorie quantique des champs, qui étend la description des phénomènes quantiques à ceux des hautes énergies, avec celle de la relativité générale.

Dans ce projet, nous travaillerons sur le problème en étudiant de plus près cette double description d’objets dans la Nature. Nous examinerons d’abord la question simple: Comment se fait-il qu’une probabilité soit affectée par la courbure de l’espace-temps alors qu’il n’y a rien de tel qu’un objet quantique occupant un emplacement spécifique dans l’espace-temps avant qu’une observation ne soit effectuée sur l’objet? Cette question simple aborde en effet la question très sensible, qui est celle de la nature des probabilités en mécanique quantique. Si l’espace-temps est l’arène de tout processus physique, et est également capable d’affecter ces probabilités indépendamment de l’information que nous avons sur l’objet quantique, les fonctions d’ondes peuvent-elles être vraiment de nature subjective? Se peut-il que la gravitation soit vraiment à l’origine de la réduction des fonctions d’onde? Qu’en est-il du lien entre la courbure de l’espace-temps et les autres propriétés physiques d’objets quantiques comme la non-localité? Nous aborderons toutes ces questions fondamentales sous un angle nouveau.