Une vue d'artiste de Microscope. © Cnes, Virtual-IT 2017

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En vidéo : Galilée contre la théorie des cordes !

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Tout comme la pomme de Newton, cette histoire-là est légendaire : Galilée étudiant la chute de deux corps de masses différentes du haut de la tour de Pise. Contrairement à ce qui était admis en philosophie naturelle depuis au moins Aristote, les deux corps arrivaient au sol en même temps. Ce qui sera appelé plus tard le principe d'équivalence venait de passer son premier test expérimental et prenait dès lors une part importante à la constitution de la révolution galiléenne, à l'origine de la science moderne. En 2007, nous annoncions un test redoutable : une chute libre de 80.000 km pour deux masses de densités différentes. L'expérience Microscope, réalisée en orbite autour de la Terre, a commencé en 2017 à donner ses résultats. Avec la théorie des cordes, elle questionne la validité du principe d'équivalence.

Microscope, un satellite pour tester l'universalité de la chute libre  Dans le vide, les objets sont tous censés tomber à la même vitesse, du moins selon la théorie. Pourtant, en pratique, il semblerait que cela ne soit peut-être pas tout à fait juste. Voici Microscope, un satellite conçu pour tester l'universalité de la chute libre et le principe d'équivalence d'Einstein. Il est ici présenté en vidéo par le Cnes. 

Article publié le 01/06/2007

Le fait que la gravitation accélère tous les objets indifféremment selon leur masse ou leur composition est un des piliers de la physique théorique moderne. C'est sur la base d'une équivalence entre masse pesante et masse inerte qu'Albert Einstein a construit sa théorie de la relativité générale. Depuis longtemps, les théoriciens pensent qu'il ne s'agit probablement que d'une approximation et qu'à un certain niveau de précision, celle-ci est violée. En fait, dans le cadre de théories comme celles de Kaluza-Klein et sa descendante, la théorie des cordes, c'est une prédiction générique.

La précision des tests du temps de Galilée et Newton n'était que de 1 %, et les expérimentateurs, comme Eötvös et Dicke, n'ont pas attendu le XXIe siècle pour améliorer la précision des mesures. Aujourd'hui, des tests basés sur la réflexion de rayons laser émis depuis la Terre sur des systèmes optiques adéquats sur la Lune, montrent qu'il n'y a pas d'écarts supérieurs à 10-12 entre masse pesante et masse inerte. De même, des tests à l'échelle atomique, là où la mécanique quantique s'impose pour décrire les phénomènes physiques, ne révèlent pas de déviations supérieures à 10-9 à l'aide d'interféromètres atomiques utilisant des atomes de rubidium et leurs isotopes.

Illustration du principe d'équivalence dans le vide : un marteau et une plume chutent avec la même vitesse © Nasa, Apollo 15

Microscope, une mission pour tester la théorie des cordes

Cela ne suffit pas aux physiciens pour qu'ils appliquent le rasoir d'Ockham et cessent de remettre en cause le principe d'équivalence. La découverte d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard est si fascinante et si impérieuse, au moment où plus de 30 années de recherche sur la théorie des cordes n'ont toujours pas fourni de preuves décisives, que des projet pour dépasser ces bornes expérimentales ont été lancés.

Expliquons rapidement pourquoi une violation du principe d'équivalence serait une preuve possible de la théorie des cordes. Dans le cadre de cette théorie, il apparaît un champ scalaire appelé le dilaton. Celui-ci se couple à toutes les masses en même temps que le champ de gravitation, notamment les masses sous forme d'énergie de liaison électrostatique des noyaux. Tous calculs faits, comme l'a montré notamment le physicien Thibault Damour, il apparaît que deux noyaux n'ayant pas la même énergie électrostatique de liaison ne subiront pas la même accélération en chute libre. Un résultat qui peut être étendu à des théories de supergravité ou de Kaluza-Klein possédant plus d'un champ scalaire analogue au dilaton de la théorie des cordes. Ainsi, deux isotopes d'un même élément mais différant par le nombre de neutrons dans leurs noyaux n'auront pas la même énergie de liaison nucléaire et seront des candidats « propres » pour mettre en évidence cette différence d'accélération en chute libre.

Comme l'expliquait Clifford Will, une sommité mondiale pour les tests expérimentaux de la théorie de la gravitation et actuellement en visite à l'Institut d'astrophysique de Paris (IAP), il y a deux projets importants pour tester le principe d'équivalence à un niveau de précision où des effets de la théorie des cordes pourraient se manifester. Le premier est la mission STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) développée à Stanford et le second est la mission du Cnes nommée Microscope (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Équivalence ) qui devrait être lancée en 2010. STEP est encore en cours d'étude mais il devrait permettre de détecter des différences d'accélération aussi faibles que 10-18. Elles ne seront que de 10-15 pour Microscope. STEP a finalement été interrompue mais la mission Microscope commencera à donner des résultats en 2017.

  • Le principe d'équivalence découvert par Galilée stipule que tous les corps tombent dans le champ de gravitation de la même façon, quelles que soient leur masse et leur composition. Ce principe est à la base de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
  • Des physiciens comme Thibault Damour ont montré que ce principe n'étaient peut-être pas exact, notamment à cause de la théorie des cordes, qui autorise de très petites différences.