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Le principe d’équivalence faible vient de passer son test le plus rigoureux

Crédits : CNES/Virtual-IT, 2017

C’est l’un des faits les plus contre-intuitifs du monde physique : deux objets de masse inégale largués dans le vide atteindront le sol simultanément. On appelle cela le principe d’équivalence faible. Pour le comprendre (et ce qu’il pourrait nous dire sur d’autres mystères, tels que la matière noire et l’énergie noire), nous devons le tester avec une précision toujours croissante. Récemment, des chercheurs ont effectué l’un de ces tests, le plus rigoureux à ce jour. 

Le principe d’équivalence faible

Ce principe fut discuté pour la première fois au début du XVIIe siècle par Kepler et Galilée. Selon lui, tous les objets, quelle que soit leur masse ou leur composition, devraient chuter de la même manière dans un champ gravitationnel particulier lorsque des interférences provenant de facteurs extérieurs sont éliminés.

Cette prédiction a d’abord été testée par Newton en mesurant la période d’oscillation de pendules. Selon ce principe, des boules de masses différentes attachées à un pendule devaient osciller à la même fréquence, ce qui fut le cas. La première amélioration (degré de précision plus élevé) de cette mesure fut obtenue au XIXe siècle par Friedrich Bessel, puis à la fin du XIXe siècle avec les travaux du physicien Loránd Eötvös, qui a utilisé un pendule de torsion.

L’expérience de ce dernier contribua ensuite à dessiner la prochaine révolution dans notre compréhension de la gravitation : la théorie de la relativité générale d’Einstein.

Einstein utilisa en effet le principe d’équivalence comme base de sa théorie. Dans une célèbre expérience de pensée, il imagina placer une personne tenant une pomme dans un ascenseur au moment où les câbles sont accidentellement coupés. Pendant la chute libre, la personne lâche la pomme, qui flotte alors sur place plutôt que de tomber au sol. L’homme et la pomme, qui ont deux masse complètement différentes, tombent donc tous deux à la même vitesse dans un espace clos, sans interférences extérieures.

Autrement dit, l’accélération produite par la chute efface la force de gravitation qui crée cette accélération.

einstein principe d'équivalence
Paul Langevin et Albert Einstein, 1923. Crédits : Agence de presse Meurisse

Un degré de précision inégalé

Encore aujourd’hui, les scientifiques continuent de tester ce principe. Pourquoi ? Car la relativité générale, la meilleure description que nous ayons de la gravité, ne s’accorde pas avec la physique quantique, qui permet d’expliquer le monde à des échelles atomiques.

L’un des tests récents les plus célèbres du principe d’équivalence s’est produit durant la mission Apollo 15. L’astronaute David Scott avait alors laissé tomber une plume et un marteau géologique en même temps. Sans résistance de l’air, les deux objets ont alors accéléré vers la surface lunaire au même rythme.

Dans la revue Physical Review Letters, une équipe a effectué un nouveau test visant à réduire au maximum les incertitudes.

Pour ce faire, les chercheurs ont mesuré l’accélération d’objets en chute libre dans un satellite français appelé MICROSCOPE, lancé en 2016. Cette fois, pas de plume ni de marteau, mais des masses d’essai en alliages de platine et de titane. Une force électrostatique maintenait les masses d’essai dans les mêmes positions relatives les unes par rapport aux autres, de sorte que toute différence générée dans cette force appliquée devrait être le résultat d’écarts dans les accélérations des objets.

Les résultats ont révélé que l’accélération des paires d’objets en chute libre ne différait pas de plus d’une partie sur 10 ^ 15, ou 0,000000000000001.

D’autres améliorations possibles

Le fait que la nouvelle recherche n’ait trouvé aucune violation du principe d’équivalence faible impose les contraintes les plus élevées à ce jour sur cet élément clé de la relativité générale. Les résultats jettent également les bases de tests encore plus sensibles à l’avenir. Les améliorations potentielles incluent la réduction des imperfections dans le revêtement des satellites qui peuvent avoir un impact sur les mesures d’accélération, ainsi que le remplacement des systèmes câblés par des connexions sans fil, suggèrent les auteurs.

D’après ces derniers, un satellite proposant ce type d’améliorations pourrait potentiellement détecter des violations du principe d’équivalence faible aussi minimes que 1 partie sur 10 ^ 17, soit 100 fois plus sensibles que ce dernier test.