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La relativité restreinte tient bon !

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Par Laurent Sacco, Futura

Le modèle standard marche trop bien et les différentes tentatives pour construire une théorie quantique de la gravitation, comme les supercordes ou la LQG (Loop Quantum Gravity), ne sont pas encore entrées en contact avec l'expérience de façon satisfaisante. Une des tentatives en ce sens consiste à vérifier avec plus de précision la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, en particulier ce qui la fonde, l'invariance de Lorentz. Deux tests basés sur un raffinement de l'expérience de Michelson-Morley ont donc été effectués : la théorie d'Einstein a de nouveau montré sa solidité.

Les deux expériences effectuées en deux endroits différents pour tester l'invariance de Lorentz locale (Crédit : Holger Mueller).
Schéma de l'expérience de Michelson-Morley Crédit : www.juliantrubin.com

La théorie de la relativité restreinte d'Einstein est l'un des piliers de la physique moderne. Sur ses fondations reposent aussi bien la théorie quantique des champs que la théorie de la relativité générale d'Einstein. On peut la déduire simplement de l'énoncé suivant : une sphère de lumière doit en rester une pour tous les observateurs en translation rectiligne uniforme les uns par rapport aux autres. Les conséquences de ce postulat en apparence simple sont bien connues : dilatation du temps, contraction des longueurs, perte de la notion de simultanéité absolue et enfin équivalence de la masse et de l'énergie.

Bien souvent dans les manuels, on explique que c'est l'expérience effectuée en 1887 par Albert Michelson et Edward Morley qui est principalement à l'origine de la théorie introduite par Albert Einstein en 1905. Cela est en grande partie faux. Une lecture de l'article original d'Einstein montre d'ailleurs qu'elle n'y est même pas mentionnée. Mais cette expérience (MM) portant sur l'invariance de la vitesse de la lumière, quelle que soit la direction de l'espace et pour des observateurs en mouvement rectiligne uniforme, n'en est pas moins à la fois un test et une illustration excellente de la théorie de la relativité restreinte.

De manière basique, il s'agit de séparer un faisceau de lumière en deux et de faire parcourir deux chemins différents aux deux faisceaux obtenus avant de les réfléchir pour les recombiner et de voir si des franges d'interférences sont produites (voir le schéma ci-dessus). L'expérience repose donc sur l'emploi d'un interféromètre et jusqu'à présent, elle n'avait donné aucun résultat. Ce qui confirmait que la lumière se déplaçait avec une vitesse identique dans toutes les directions et pour tous les observateurs en mouvement rectiligne uniforme. Pour être précis, aucune différence supérieure à un millionième de la vitesse de la lumière pour un observateur n'avait été mise en évidence.

L'application du rasoir d'Occam au cas de l'expérience de MM avait cependant conduit à écarter deux hypothèses gênantes. Dans cette expérience, on montrait en effet que le mouvement de la Terre autour du Soleil n'affectait pas les vitesses de deux faisceaux lumineux précédents, malgré leur propagation en sens opposé selon la direction du mouvement de notre planète. Et si ce mouvement même altérait, soit la longueur des trajets dans l'interféromètre, soit l'indice de propagation de la lumière dans le vide pour donner l'illusion d'une propagation isotrope et constante de la lumière ? Bien que tirées par les cheveux, de telles hypothèses n'en sont pas moins des possibilités logiques et peut-être la remise en cause des principes de la relativité restreinte est-elle la clé pour enfin construire une théorie quantique de la gravitation. En outre, aussi bien la LQG que la théorie des supercordes rendent possible la violation effective de l'invariance de Lorentz, l'expression mathématique des principes physiques de la relativité restreinte.

C'est pourquoi Holger Mueller, à l'Université de Stanford, et ses collègues de différents laboratoires en Australie et en Europe ont décidé d'en avoir le cœur net. Il existe en fait un formalisme général appelé SME, pour Standard Model Extension, qui paramétrise les déviations possibles à l'invariance de Lorentz avec plusieurs cœfficients dont les valeurs sont inconnues. Or, si l'on remet en cause les hypothèses habituelles utilisées pour interpréter l'expérience de MM de la façon exposée précédemment, ce formalisme prédit deux résultats différents à partir de variantes de l'expérience de MM. L'une a donc été effectuée à Berlin et l'autre à Perth à l'aide de cavités résonnantes à micro-ondes et optique et ce, pendant une durée de 1 an. Cela permettait de tester un possible changement local de l'invariance de Lorentz ainsi que de tenir compte d'une modulation annuelle des paramètres de l'expérience causée par le mouvement de la Terre.

Le résultat est tombé, et il est impressionnant : Sur les 14 paramètres pouvant décrire un effet de violation de l'invariance de Lorentz aucun écart supérieur à une part sur 1016 n'a été observé ! Là comme ailleurs, l'œuvre d'Einstein continue à triompher.

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