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Ciel des Hommes

Le Principe d’équivalence

traduction de Didier Jamet

paru le 24 mai 2007

Campé dans son scaphandre sur la Lune en 1971, l’astronaute d’Apollo 15 Dave Scott tenait ses mains levées à hauteur des épaules, un marteau dans l’une et une plume dans l’autre. Et tandis que le monde entier pouvait assister à l’expérience qui était retransmise en direct à la télévision, il les lâcha.

Ce fut un spectacle étrange : contrairement à ce qui se serait passé sur Terre, la plume ne se mit pas à dériver doucement mais tomba comme une masse, exactement comme le marteau. Sans résistance de l’air pour freiner la plume, les deux objets s’enfoncèrent dans la poussière lunaire exactement au même instant.

" Voyez-vous ça ! " s’exclama Scott d’un ton faussement surpris. " Monsieur Galilée avait dit vrai ! "

Scott faisait ainsi référence à une célèbre expérience du 16e siècle. Selon les sources, on raconte que Galilée lançait des poids depuis le dernier étage de la tour de Pise, ou qu’il faisait rouler des balles et des boulets le long d’un plan incliné ménagé chez lui. Quoiqu’il en soit, il en était arrivé au même résultat : bien que ces poids, ces balles et ces boulets aient été réalisés dans des matériaux différents, il arrivaient tous en bas en même temps. Aujourd’hui, ce résultat est connu sous le nom de " Principe d’Equivalence " : la gravité accélère de la même façon tous les objets, quelle que soit leur masse ou le matériau dont ils sont faits. Ce principe est une pierre angulaire de la physique moderne.

Mais que se passerait-il si le principe d’équivalence était finalement faux ?

Les expériences de Galilée étaient entachées d’une imprécision de l’ordre de 1%, laissant la place au doute quant à leur validité. Depuis, quantité de scientifiques sceptiques ont réitéré maintes fois l’expérience, sans parvenir à prendre en défaut le principe d’équivalence. Les meilleures limites actuelles à une éventuelle violation du principe d’équivalence, utilisant par exemple des tirs de laser vers la Lune pour voir de quelle façon elle tombe vers la Terre, montrent que le principe d’équivalence reste valide au moins jusqu’à une valeur de quelques parties par billion (10 puissance 12) C’est une fiabilité fantastiquement élevée. Et cependant, il reste toujours une possibilité pour que le principe d’équivalence soit pris en défaut à un niveau encore plus subtil.

" C’est une possibilité que nous devons étudier " insiste le physicien Clifford Will de l’Université Washington de Saint-Louis, dans le Missouri. " Découvrir la plus infime différence dans la façon dont la gravité agit sur les objets selon leur composition aurait d’énormes implications. "

En fait, cela pourrait fournir le premier indice sérieux de la validité de la théorie des cordes. La théorie des cordes imagine que les particules fondamentales se présentent sous la forme de cordes de longueur infinitésimale animées de différents modes vibratoires. Ce faisant, cette théorie résout beaucoup de problèmes lancinants de la physique contemporaine. Mais c’est dans le même temps une théorie très controversée, en bonne partie parce qu’elle présente un fâcheux inconvénient : ses prédictions théoriques sont virtuellement impossibles à confirmer par l’expérience. Or si ce n’est pas testable et reproductible, ce n’est pas de la science.

Le principe d’équivalence pourrait offrir un moyen de tester la théorie des cordes.

" Certaines variétés de la théorie des cordes prédisent l’existence d’une force remarquablement faible qui rendrait la gravité légèrement différente selon la composition des objets " précise Will. " Trouver une variation dans la gravité s’appliquant à différents matériaux ne prouverait pas immédiatement que la théorie des cordes est correcte, mais au moins elle lui apporterait un début de commencement de preuve sur lequel s’appuyer. "

Cette nouvelle facette de la gravité, si elle existe, serait si extraordinairement ténue que sa détection resterait un défi gigantesque. La gravité est déjà une force relativement faible. Elle est 10 puissance 36 fois plus faible que l’electromagnétisme. Les théoriciens pensent que la nouvelle force serait au moins 10 millions de millions de fois plus faible que la gravité (10 puissance 13).

De la même façon que le magnétisme agit sur les objets en fer et pas sur ceux en plastique, la nouvelle force ne s’appliquerait pas uniformément à tous les matériaux. L’attraction de cette force varierait selon la composition de l’objet.

Par exemple, certaines versions de la théorie des cordes suggèrent que cette nouvelle force interagirait avec l’énergie électromagnétique contenue dans un objet. Deux atomes qui ont la même masse peuvent contenir une quantité différente d’énergie électromagnétique si, disons, l’un des deux a plus de protons, lesquels sont chargés électriquement, tandis que les autres ont plus de neutrons, qui n’ont pas de charge. La gravité traditionnelle exercerait une attraction similaire sur ces deux objets, mais si la gravité comprend également cette nouvelle force, l’attraction sur ces deux atomes varierait très légèrement.

Jusqu’à aujourd’hui, aucune expérience n’a permis de détecter cette petite différence. Mais à présent 3 groupes de scientifiques proposent des missions spatiales destinées à traquer cet éventuel effet avec une sensibilité inédite.

" Ce que l’on veut faire, c’est prendre deux masses témoins constituées chacune d’un matériau différent et observer de très petites différences dans la façon dont elles chutent " explique Will. " Sur Terre, un objet ne peut tomber que pendant un court laps de temps avant de toucher le sol. Mais en orbite, tous les objets sont en chute libre perpétuelle autour de la Terre. " De petites différences dans l’attraction gravitationnelle s’accumuleraient au fil du temps, devenant alors suffisamment significatives pour être détectées.

Une des missions envisagées, appelée STEP (acronyme de " Satellite Test of the Equivalence Principle "), est actuellement en cours d’étude à Stanford. STEP serait capable de détecter une déviation du principe d’équivalence 100 000 fois plus faible qu’on ne peut la tester à l’heure actuelle (10 puissance 18)

STEP utilise 4 paires de masses témoins au lieu d’une seule. Cette redondance sert à assurer que la moindre différence vue dans la façon dont les masses témoins chutent est réellement causée par une violation du principe d’équivalence, et n’est pas le fruit d’une perturbation quelconque ou d’un défaut du matériel.

" En essayant de mesurer un si minuscule effet, il vous faut éliminer autant de perturbations externes que possible " explique Will. STEP est conçu de telle façon que les masses témoins sont placées à l’intérieur d’un vaste réservoir d’hélium liquide afin de les isoler des fluctuations de la température externe et d’enfermer les masses au sein d’un cocon supraconducteur qui les protègera des interférences magnétiques et électriques.

Par ailleurs, des micropropulseurs compenseront les effets de traînée engendrés par les dernières molécules d’atmosphère encore présentes en orbite, plaçant ainsi les masses dans un état de chute libre quasi parfait.

Dans cet environnement idéal, si le principe d’équivalence n’est pas pris en défaut, chaque paire de masses devrait rester parfaitement alignée avec ses voisines tandis qu’elles seront en chute libre perpétuelle autour de la Terre. Mais s’il existe bien une composante de la gravité inconnue à ce jour, une masse témoin devrait chuter à un rythme légèrement différent de celui de ses voisines, la paire dérivant progressivement hors de l’alignement au fil du temps.

Pour l’instant, STEP n’est encore qu’en phase de conception. Une autre mission spatiale, la française MICROSCOPE (acronyme de Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence), devrait s’envoler d’ici 2010. MICROSCOPE ne disposera que de 2 paires de masses témoins, et devrait être en mesure de détecter une violation du principe d’équivalence de l’ordre d’une partie pour un million de milliard (10 puissance 15).

Une troisième mission sur la même thématique est l’italienne Galileo Galilei (" GG " pour les intimes), qui fonctionnera de façon très similaire à STEP et à MICROSCOPE, sauf qu’elle n’utilisera qu’une paire de masses témoins. Aussi pour améliorer sa précision, le satellite qui emportera Galileo Galilei tournera sur lui-même 2 fois par seconde. De cette manière, toute perturbation dans le satellite s’exercera uniformément dans toutes les directions, ce qui conduira à son annulation. Galileo Galilei devrait atteindre une sensibilité d’une partie pour 100 millions de milliards (10 puissance 17).

Savoir si une de ces missions a une chance de prendre en défaut le principe d’équivalence est difficile à dire. Will dit qu’il s’attend à ce que ces expériences ne trouvent rien, en partie parce que ce serait une véritable révolution pour la physique contemporaine. Et d’autre part, la théorie des cordes fournit une fourchette assez large pour la puissance de l’effet recherché, aussi il est possible que l’effet soit trop petit pour être détecté même par ces missions spatiales.

Pourtant, cet échec aurait déjà un intérêt : il permettrait d’éliminer un certain nombre de versions de la théorie des cordes, restreignant le champ d’investigation dans lequel il devrait être possible de trouver la " théorie du tout ".

Mais dans l’hypothèse où la déviation serait bien là, et aussi minime soit-elle, ce serait un pas de géant.

 

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

L'astronaute Dave Scott lâchant simultanément une plume et un marteau sur la Lune en 1971
Crédit : Nasa

 

Le projet de satellite MICROSCOPE du CNES
Crédit : CNES

 

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