Le rétroréflecteur déposé par la mission Apollo 11 sur la Lune. © Nasa

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La relativité d'Einstein résiste aux tirs laser sur la Lune

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La théorie de la relativité restreinte est l'un des piliers fondamentaux de la physique moderne. Des chercheurs tentent de la dépasser en montrant ses limites. La dernière tentative en date fait intervenir la télémétrie laser-Lune permettant de tester la fameuse invariance de Lorentz.

La détection directe sur Terre des ondes gravitationnelles presque 100 ans après leur prédiction par Albert Einstein n'empêche pas les physiciens de tenter de prouver que la théorie de la relativité générale n'est pas encore la bonne théorie de la gravitation. Ils tentent pour cela de découvrir des violations de certaines de ses hypothèses de base. L'une d'entre elles consisterait à trouver des violations de l'invariance de Lorentz, ou dans des termes moins ésotériques, des transgressions des principes de la théorie de la relativité restreinte. Il pourrait s'agir d'une vitesse de la lumière différente dans le vide selon les directions, ou bien d'autres effets subtils dans le domaine de la physique des particules, par exemple une violation du théorème CPT avec l'antihydrogène.

Un cadre général pour des violations de l'invariance de Lorentz avec les équations du modèle standard et de celles des deux théories de la relativité a été établi comme nous le rappelions dans l'article ci-dessous. D'année en année, à l'aide de différentes expériences, les physiciens repoussent les bornes sur les valeurs de différents paramètres qui peuvent exprimer dans ce cadre des violations de l'invariance de Lorentz. Le dernier travail dans ce domaine vient d'une équipe de chercheurs français qui, comme les physiciens l'expliquent dans un article disponible sur arXiv, ont utilisé les données de télémétrie laser-Lune (ou Lunar Laser Ranging) accumulées depuis 44 ans.

Une présentation de la télémétrie laser-Lune. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Wiz Science

Un test de la relativité restreinte avec les mouvements de la Lune

Il s'agit des mesures effectuées à l'aide de nombreux tirs de faisceaux laser émis depuis la Terre en direction de dispositifs optiques catadioptriques, dit rétroréflecteurs, déposés sur la Lune par les missions Apollo 11, 14 et 15, ainsi que par les missions russes Lunokhod 1 et Lunokhod 2. On peut mesurer leurs temps d'aller-retour, ce qui permet de mesurer la distance Terre-Lune et également une autre hypothèse à la base de la théorie de la relativité générale : le principe d'équivalence (actuellement testée avec la mission Microscope).

Plus de 20.000 allers-retours de faisceaux lasers ont été réalisés entre 1969 et 2013 à partir de cinq stations sur Terre comme celles de l'Observatoire de la Côte d'Azur, en France, ou celle de l'Observatoire Apache Point, au Nouveau-Mexique (États-Unis). L'interprétation des mesures n'est pas aisée car elles dépendent de plusieurs phénomènes. Certaines nécessitent une prédiction fine des mouvements de la Lune autour de la Terre, lesquelles dépendent entre autres des perturbations gravitationnelles provenant du Soleil et bien évidemment de possibles violations de l'invariance de Lorentz pour le comportement des rayons laser et du champ de gravitation lui-même.

Aucune de ces violations n'a été trouvée, mais les contraintes sur certains des paramètres les décrivant ont été améliorées d'un facteur 10. Au final, il s'agit du plus solide test des violations de l'invariance de Lorentz réalisé à ce jour.

Pour en savoir plus

Un test cent millions de fois plus précis pour la relativité !

Article de Laurent Sacco publié le 17/09/2009

La célèbre expérience de Michelson et Morley n'a jamais servi à Albert Einstein à découvrir la théorie de la relativité restreinte. Mais elle est toujours un excellent test de l'invariance de la vitesse de la lumière, invariance qui vient d'être testée avec une technologie moderne, cent millions de fois plus précise que le dispositif original.

Certains tentent encore de s'appuyer sur une éventuelle imprécision de l'expérience mythique d'Albert Abraham Michelson et Edward Morley de 1887 pour tenter de réfuter la théorie de la relativité restreinte. La relativité de l'espace et du temps, avec comme conséquence le célèbre paradoxe des jumeaux de Langevin, leur semble si irrationnelle et si difficile à maîtriser qu'ils s'accrochent désespérément à toutes les pseudo-rumeurs sur des anomalies révélées par des expériences similaires réalisées des dizaines d'années après celle des deux chercheurs américains.

Voilà pourtant bien plus d'un demi-siècle que les prédictions de la relativité restreinte ont victorieusement passé bon nombre de tests, l'établissant solidement sur l'expérience. Toutefois, de même que la théorie de Newton a laissé la place à celle d'Einstein, il se pourrait que dans certaines situations expérimentales, en particulier en améliorant la précision des mesures, quelques désaccords apparaissent.

Albert Abraham Michelson (à gauche) et Edward Morley. © www.relativitycalculator.com

Depuis quelque temps, des tentatives aussi bien théoriques qu'expérimentales se sont multipliées pour aller au-delà de la théorie d'Einstein. L'un des effets que les chercheurs s'attendent à voir est principalement celui d'une violation de l'invariance de Lorentz. Concrètement, il s'agit d'expériences dans lesquelles la lumière, dans le vide, ne se déplacerait pas à la même vitesse quels que soient la direction de l'espace et le mouvement d'un observateur.

Comme la théorie de la relativité restreinte est à la base de la théorie quantique des champs relativistes, l'épine dorsale du modèle standard, un formalisme étendant ce dernier incorporant de petites déviations, liées à une violation de l'invariance de Lorentz a été construit. Comportant plusieurs paramètres, 19 pour être précis, les équations proposées font partie de ce qu'on appelle en anglais Standard Model Extension (SME). Lorsque ces paramètres sont nuls, on retombe sur le modèle standard.

Certains chercheurs soupçonnent que derrière les théories de gravitation quantique, comme celles des supercordes ou de la gravitation quantique à boucles (LQG), des violations de l'invariance de Lorentz se produisent peut-être lorsque l'on se rapproche de l'échelle de Planck.

Il y a aussi la très curieuse théorie de John Bell, lequel, refusant de voir dans le paradoxe EPR une défaite de la vision d'Einstein de la mécanique quantique, n'a pas hésité à remettre en cause la théorie de la relativité restreinte qui ne serait qu'effective. Il doit exister selon lui un milieu sub-quantique où la limitation de la propagation des signaux n'était plus celle associée à la vitesse de la lumière.

Tout dernièrement, une borne sévère pour d'éventuels effets de violation de l’invariance de Lorentz a été donnée par Fermi et c'est aujourd'hui un groupe de chercheurs de l'université Heinrich-Heine à Düsseldorf qui a poussé un cran plus loin les bornes supérieures pour les valeurs de paramètres du formalisme SME.

Les deux résonateurs optiques se coupant à 90°. Crédit : Institute for Experimental Physics-Heinrich-Heine-University Düsseldorf

Un test pour l'énergie noire ?

Stephan Schiller et ses collègues ont construit une version modernisée de l'expérience de Michelson et Morley. Sur un bloc de granite de 1,3 tonne deux cavités optiques constituées de miroirs sont en suspension sur coussin d'air (ces précautions sont importantes afin d'isoler le plus possible le dispositif de vibrations parasites). Les deux cavités, d'environ 8,4 centimètres, sont disposées le long de lignes perpendiculaires. L'une est légèrement plus longue que l'autre et, pour un faisceau laser, les deux se comportent donc comme des résonateurs optiques de fréquences différentes.

On part initialement d'un rayon laser séparé en deux faisceaux, un pour chaque cavité. Ces deux faisceaux sont ensuite recombinés à la sortie et l'ensemble du dispositif est en rotation lente, sur coussin d'air. En 13 mois, 175.000 rotations ont été accomplies. Le faisceau en sortie exhibe alors un phénomène de battement, l'équivalent des interférences mais ici dans le temps et non dans l'espace (en pratique l'intensité du faisceau oscille périodiquement dans le temps).

Si la lumière ne se propageait pas à la même vitesse dans toutes les directions et que celle-ci dépendait des mouvements de la Terre, il apparaîtrait au cours de l'expérience des modifications des fréquences de résonances dans les cavités. En conséquence, en sortie, après recombinaisons des faisceaux, la fréquence de battement du signal lumineux ne serait pas constante.

Le résultat est tombé.

Sur les 8 paramètres du formalisme SME que cette expérience pouvait tester, quatre sont bornés supérieurement par 10-17, ce qui représente un amélioration d'un facteur 10 par rapport à la dernière expérience du même type. Ce résultat est particulièrement impressionnant puisqu'il est cent millions de fois plus précis que celui de l'expérience initiale de Michelson et Morley.

Les chercheurs pensent qu'ils peuvent encore gagner un facteur mille dans les années à venir. Ce sera difficile mais selon certains, la précision atteinte pourrait même finir par permettre de tester des effets dus à l'énergie noire.

En revanche, les possibles effets de violation de l'invariance de Lorentz liés à la gravitation quantique exigeraient d'atteindre une borne de 10-30. Cela semble exclu et il reviendra très probablement au satellite Fermi dans les années à venir d'exclure ou non une violation de l'invariance de Lorentz en gravitation quantique.