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Ciel des Hommes

Jusqu’à quel point Galilée avait-il raison ?

traduction de Didier Jamet

paru le 09 mai 2004

Si l’on en croit la légende, Galilée eut il y a quatre siècles l’idée de faire tomber simultanément du sommet de la tour de Pise différents objets : boulets de canon, balles de mousquet, billes de bois, pièces d’or ou d’argent. Il imaginait sans doute que les objets les plus lourds pourraient tomber plus vite que les plus légers. Mais il n’en fut rien.

Ils mirent tous le même temps à faire le trajet jusqu’au sol, donnant à Galilée l’opportunité de faire une grande découverte : Quelle que soit leur masse ou leur composition, la gravité accélère tous les objets de la même façon.

On appelle aujourd’hui cela " l’Universalité de la chute libre " ou plus fréquemment le " principe d’équivalence ", et c’est une des pierres angulaires de la physique moderne. C’est notamment en postulant la validité du principe d’équivalence qu’Albert Einstein a bâti sa théorie de la gravité, la fameuse théorie de la relativité générale.

Mais que se passerait-il si ce principe était faux ?…

" Certaines théories récentes suggèrent que l’accélération de la gravité pourrait en fait varier de façon très subtile avec la composition matérielle de l’objet considéré " fait remarque Jim Williams, physicien au JPL. Et si tel était bien le cas, il faudrait réécrire la théorie de la relativité, ce qui correspondrait à une révolution dans le monde de la physique.

Des chercheurs financés par la Nasa vont tester le principe d’équivalence en tirant au laser vers la Lune.

" La détermination de la distance Terre-Lune par le biais des lasers est un des plus puissants outils dont nous disposions afin de repérer d’éventuelles faiblesses de la théorie de la relativité générale " confie Slava Turyshev, chercheur du JPL qui collabore avec Jim Williams et quelques autres sur ce projet.

Si leur expérience est aujourd’hui possible, c’est parce que les astronautes du programme Apollo ont déployé, il y a plus de 30 ans, des miroirs sur le sol lunaire, en fait des petits panneaux formés de plusieurs dizaines de rétro réflecteurs qui peuvent intercepter un rayon laser en provenance de la Terre et le renvoyer directement à sa source.

En utilisant lasers et miroirs, les chercheurs ont la possibilité de suivre la Lune à la trace dans sa révolution autour de la Terre.

En fait, il s’agit ni plus ni moins d’une version moderne de l’expérience de la tour de Pise. Au lieu de laisser tomber un boulet vers le sol, il s’agit ici de voir comment la Terre et la Lune " tombent " vers le Soleil. En effet, tout comme les billes de plomb et d’or que laissait choir Galilée, la Terre et la Lune ont chacune une composition différente, ainsi que des masses très inégales. Sont-elles accélérées vers le Soleil de la même façon ? Si la réponse est oui, le principe d’équivalence passera le test avec succès. Mais dans le cas contraire, une révolution s’amorcerait.

Une violation du principe d’équivalence pourrait se traduire par une déviation de l’orbite lunaire, vers le Soleil ou au contraire à l’opposé. " En utilisant des masses aussi considérables que celles de la Terre et de la Lune, nous sommes susceptibles de mettre en évidence des effets extrêmement ténus, si jamais ils existent " explique Williams.

L’étude de la distance Terre-Lune grâce aux tirs de rayons laser ne date pas d’hier, puisqu’elle remonte aux missions Apollo. Jusqu’ici, la théorie de la gravité d’Einstein, et donc le principe d’équivalence, ont été testés avec succès jusqu’à la treizième décimale. Mais cette précision est cependant insuffisante pour tester toutes les théories prétendant être capables de renverser celle d’Einstein.

Les méthodes actuellement utilisées pour mesurer la distance Terre-Lune (385 000 km en moyenne) au moyen de lasers ont une marge d’incertitude de 1,7 centimètre. À l’automne prochain, un nouveau dispositif financé par la Nasa et la National Science Foundation diviseront par 10 cette marge d’erreur, l’amenant à une valeur comprise entre 1 et 2 millimètre. Ce bond en précision signifie que les chercheurs seront en mesure de détecter des déviations de l’orbite lunaire dix fois plus petites qu’à l’heure actuelle, ce qui sera peut-être suffisant pour prendre en défaut la théorie de la relativité générale.

Pour parvenir à cette précision, l’installation, qu’un clin d’œil de ses concepteurs a fait baptiser Apollo, soit l’acronyme de " Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation ", doit chronométrer les allers et retours des impulsions laser entre la Terre et la Lune à quelques picosecondes près, soit un millionième de millionième de seconde, ou encore 10 puissance –12 seconde…

La vitesse de la lumière étant connue (environ 300 000 kilomètres à la seconde), il suffira de mesurer le temps de trajet aller-retour de l’impulsion laser pour connaître la distance entre le télescope Apollo et le miroir à la surface de la Lune.

Mais comment le télescope Apollo parvient-il à réduire aussi drastiquement la marge d’erreur, 10 fois plus faible qu’auparavant ?

Tout d’abord, il va utiliser un miroir beaucoup plus grand que son prédécesseur de l’Observatoire Mac Donald, au Texas : 3,5 mètre contre 0,72. Plus le miroir est grand, plus il collecte de photons lumineux de retour de la Lune, nous explique simplement Tom Murphy, professeur à l’Université de Californie-San Diego, et concepteur du dispositif Apollo.

En comparaison, Là où le précédent télescope ne recueillait qu’un seul photon sur cent envoyés vers la Lune (chaque impulsion du laser en délivre 100 millions de milliards !), le télescope Apollo en récupèrera cinq, ce qui améliorera grandement la valeur statistique des résultats.

Il faudra cependant tenir compte de plusieurs sources potentielles de distorsion. L’atmosphère de notre planète peut par exemple dévier le trajet du rayon laser, de la même manière qu’elle fait scintiller la lumière des étoiles. Autre exemple, de minuscules glissements tectoniques du sol situé sous le télescope, typiquement de l’ordre de quelques centimètres par an, auraient pu fausser les résultats à long terme. Aussi les responsables du projet ont-ils retenu comme site le sommet d’une montagne près de White Sands, au Nouveau Mexique, qui bénéficie à la fois d’une atmosphère et d’un sol particulièrement stables. De plus, ils ont pris la précaution d’installer un gravimètre supraconducteur et des capteurs GPS de haute précision sur le pourtour de l’observatoire afin de détecter le moindre mouvement de terrain. Ce dispositif est complété par des baromètres de précision qui fourniront en permanence un état précis de l’atmosphère.

Williams et Turyshev ont récemment perçu un financement du Bureau de recherche biologique et physique de la Nasa qui va leur permettre d’améliorer le logiciel de traitement du signal laser dans des proportions compatibles avec la nouvelle précision du reste du système installé au Nouveau Mexique. " il faudra tenir compte de quantité de minuscules paramètres dont l’influence ne dépassera pas le millimètre " reconnaît Turyshev.

Au bout de ce luxe infini de précautions, c’est le caractère universel de la chute libre qui pourrait bien finir par… tomber.

Beaucoup de scientifiques accueilleraient la nouvelle avec satisfaction. Cela fait un moment qu’ils restent perplexes devant l’étrange incompatibilité entre la relativité générale et la mécanique quantique. Les deux théories, chacune si efficaces dans leurs domaines respectifs, sont comme deux langues qui décriraient l’Univers avec des concepts fondamentalement différents. Aussi la découverte d’un défaut dans les fondements de la relativité pourrait-elle mener les chercheurs vers une nouvelle " Théorie du tout ", réconciliant finalement physique quantique et théorie de la gravité dans un cadre harmonieux.

Depuis l’Italie jusqu’au Nouveau Mexique en passant par la Lune, voici une expérience qui aura traversé les siècles et les milliers de kilomètres. Mais peut-être arriverons-nous bientôt au bout du voyage.

Quelques liens pour aller plus loin

Galilée et la tour de Pise

L’expérience de Galilée sur la Lune

Détermination de la distance Terre-Lune par laser

Le télescope Apollo

Rétro réflecteurs lunaires

Les Lunokhods

Résultats de la mesure de distance Terre Lune par lasers

A la recherche du gravitomagnétisme

Quelques grammes de quasi perfection

Tester la théorie de la gravitation avec des lasers

 

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Version française de Science@NASA
Auteur original : Patrick L. Barry
Crédit : NASA Science

Croquis de l’expérience historique de Galilée, telle qu’elle aurait été menée depuis le sommet de la tour de Pise.
Crédit : Science @ Nasa

 

Un pavé de rétro réflecteurs installé sur la Lune par l’équipage d’Apollo 14. Le même type de miroir a été déposé par les équipages d’Apollo 11 et 15, ainsi que par deux atterrisseurs soviétiques Lunokhod
Crédit : Nasa

 

Relevé des positions des rétro réflecteurs déposés à la surface de la Lune. Précédés d’un A pour ceux des missions Apollo, et d’un L pour les Lunokhods soviétiques.
Crédit : Nasa

 

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