Pourquoi tester le principe d’équivalence ? Le satellite Microscope.

Le satellite Microscope a été lancé, il y a peu, par une fusée Soyouz pour tester le principe d’équivalence. Qu’est-ce que cela et pourquoi vouloir améliorer la précision d’une mise à l’épreuve de cet élément central de la physique déjà fort bien confirmé par de multiples expériences ?

Le principe d’équivalence est le constat suivant : tous les corps chutent de la même manière dans le champ gravitationnel, quelles que soient leurs masses. Il joue donc un rôle central dans la construction de la relativité général car c’est à partir de celui-ci qu’Einstein comprend que, parce que la gravité est la même pour tous, il est peut-être possible de la décrire comme une déformation de l’espace-temps – qui, précisément, nous contient tous – plutôt que comme une force agissant sur les objets.

Satellite Microcsope. Copyrigths CNES. (Illustration de D. Ducros)
Satellite Microcsope. Copyrigths CNES. (Illustration de D. Ducros)

Depuis le XVIème siècle, ce principe a été testé à de multiples reprises et aucune mise en défaut n’a été constatée. La précision atteinte aujourd’hui est de l’ordre de un pour mille milliard ! C’est excellent, le principe est très bien confirmé. Ce qu’il veut finalement dire, c’est que localement (disons dans un volume de taille raisonnable) il est impossible de distinguer le champ gravitationnel d’une accélération. Je suis en ce moment assis sur ma chaise parce que, dit-on, le champ gravitationnel de la Terre m’y contraint (je ne flotte pas dans la pièce). Mais s’il n’y avait plus de gravité et que mon bureau était accéléré vers le haut, je ressentirais exactement la même chose.
C’est l’abandon du champ de gravitation au profit de cette accélération équivalente qui va conduire aux effets subtils de courbure (car l’équivalence n’est que locale) que la relativité générale met en évidence.

Illustration de l'équivalence entre champ gravitationnel et accélération (dessin du Dutch Experiment Support Center)
Illustration de l’équivalence entre champ gravitationnel et accélération (dessin du Dutch Experiment Support Center)

Cependant, comme souligné dans cet article, il y a de bonnes raisons théoriques de questionner le principe d’équivalence. Il n’est d’ailleurs pas strictement un principe mais plutôt, dans la formulation actuelle, une conséquence de la première des deux hypothèses de base de la relativité générale. Ces hypothèse sont, d’abord, le couplage universel des champ de matière avec une unique métrique (c’est-à-dire une structure géométrique) et, ensuite, la loi d’évolution de cette métrique. Il faut bien voir que la relativité s’accompagne d’une leçon aux conséquences philosophiques immense : l’invariance de fond. Autrement dit, il n’existe plus de structures absolues et statiques pour décrire l’espace-temps.

La dé(con)struct(urat)ion de la couleur, des linéaments et de la perspective est-elle une suggestion de l’absence de structure figée ? (dessin de Lucile Bienvenu)
La dé(con)struct(urat)ion de la couleur, des linéaments et de la perspective est-elle une suggestion de l’absence de structure figée ? (dessin de Lucile Bienvenu)

Cette diminution du nombre des structures absolues apparaissant dans les théories, au profit d’entités dynamiques ou élastiques n’est pas le seul appanage de la relativité générale et semble être une direction claire de la physique théorique depuis un siècle environ. (Les éventuelles conséquences – fût-ce au sens d’une invitation à la réflexion – dans les champs politiques et ontologiques restent à explorer et je les crois fascinantes …) Or, implicitement, le principe d’équivalence suppose que les constantes de couplage (les paramètres fondamentaux de la physique) sont non dynamiques ! Il induit donc une tension ou une asymétrie entre le caractère évolutif de la structure même de l’espace-temps, qui est le coeur de la relativité générale, et cette rigidité des autres paramètres.

Il y a une cinquantaine d’année, Dicke a en effet montré que si les constantes de couplage variaient spatialement, autrement dit étaient dynamiques, alors des corps de compositions différentes devraient tomber différemment et donc violer le principe d’équivalence. En ce sens, avec une certaine ironie, on pourrait donc dire que la relativité générale, née du principe d’équivalence, suggère en fait l’éventualité d’une remise en cause de celui-ci !
La théorie des cordes prédit un tel comportement dynamique des constantes mais une violation du principe d’équivalence ne serait pas pour autant une « preuve » de la théorie des cordes, ni même une indication très forte en ce sens. Mais ce serait sans aucun doute un signe très excitant de « nouvelle physique ».

Autant de bonnes raisons de suivre les mesures du satellite Microscope.

6 réflexions sur “ Pourquoi tester le principe d’équivalence ? Le satellite Microscope. ”

  1. Qu’est ce qui va changer dans la RG, si cette différence entre masse grave et masse inerte se révèle être bien vraie ?

    1. A mon sens, ça change tout ! (et Aurélien me corrigera si besoin)
      En effet, la RG est construite sur l’observation du principe d’équivalence, qui est pris comme un postulat de base. Tout l’édifice intellectuel est construit avec ce postulat (et quelques autres, dont l’invariance de la vitesse de la lumière) : si ce postulat est faux (ou « pas totalement exact » devrais-je dire, car à ~10^-14 près, c’est quand même « presque vrai »), alors toute la construction est fausse/inexacte. Donc ça change tout.
      Après, la RG restera vraisemblablement(*) « presque vraie » sur une large gamme de tests, mais elle ne sera plus qu’une approximation d’une théorie plus large qui sera à construire dans certains cas. De même que la mécanique newtonienne n’est qu’une approximation de la RG, la RG ne serait qu’une approximation de cette nouvelle théorie.

      (*) Une digression : je garde un doute raisonnable sur la RG en champ faible, en lien avec la matière noire nécessaire dans le modèle cosmologique standard (LCDM). Ce modèle cosmologique part du postulat que la RG est valide à l’échelle de l’Univers et cela nécessite la présence de matière noire (et d’énergie noire, déjà prévue par la RG avec la constante cosmologique ). Mais cette matière noire n’a toujours pas été identifiée et le modèle LCDM explique par ailleurs mal la structure des galaxies et les phénomènes étonnants que l’on observe quand les champs gravitationnels sont faibles (en-dessous de ~10^-10m.s^-2), avec entre autres la « Baryonic Tully-Fisher Relation » (BTFR) : avec la BTFR, la seule mesure de la masse de matière visible (étoiles + gaz) d’une galaxie suffit à expliquer précisément la vitesse de rotation de ses étoiles, alors que dans le paradigme LCDM, masse visible et matière noire ne devrait pas être directement corrélés, et donc pour une masse visible donnée, la vitesse de rotation devrait dépendre de la matière noire réellement présente (et relativement aléatoire) : ce n’est manifestement pas la cas, la BTFR démontre le contraire !
      Et … il existe une alternative : ce serait de modifier la gravité en champ faible pour se passer de l’hypothétique matière noire, ce que fait l’approche MOND (MOdified Newtonian Dynamics) et ses extensions relativistes. Concrètement, en appliquant la « recette » MOND à la masse visible d’une galaxie, on prédit une vitesse de rotation des étoiles, prédiction déterministe ET compatible (aux erreurs de mesure près) à ce que l’on mesure et ce, sans recourir à une mystérieuse matière noire présente en quantité ad-hoc et opportune ! Donc contrairement à l’approche LCDM, MOND permet de faire des prédictions sur la vitesse de rotation des galaxies sur la base de leur seule masse visible, et ces prédictions sont celles de la BTFR, et elles sont vérifiées (aux erreurs de mesure près). MOND reste une « recette de cuisine », mais elle marche redoutablement bien : n’est-ce qu’une recette, ou y a-t-il une « vraie » réalité physique derrière, c’est toute la question …
      Et si c’est le cas, la RG serait alors totalement erronée (facteur 2 ou plus) en champ faible. Je n’ai pas vu d’articles de recherche sur le sujet, mais à mon sens les résultats du satellite Gaia devrait nous ouvrir les yeux sur ce sujet dans les années qui viennent (pour confirmer la RG ou, au contraire, renforcer la piste d’une approche de type MOND !). A suivre, mais c’est une autre piste de « nouvelle physique ».
      Aurélien, as-tu un avis sur la question 😉 ? (et je serais ravis d’échanger sur le sujet, sur lequel je me suis penché assez en détails)

  2. Bonjour
    Commentaire à ne PAS publier svp : j’ai écrit un long commentaire jeudi ou vendredi dernier, mais il n’est pas visible sur le forum. Est-il problématique (par exemple faux sur ma proposition de réponse) ou va-t-il être publié svp ? Je peux notamment le faire plus court si vous le souhaitez (en supprimant la 2è partie exemple).
    Merci beaucoup, cordialement

  3. NGC 1365
    Bonjour
    Que serai-je sans les 4 dimensions, sans le contact de ces interprétations, à l’égard de mon égo, je la trouve ci belle, elle vole dans l’espace de mon lieu je la frôle juste un instant pour quel disparaisse.
    Jacques

  4. Bonjour à tous; (svp excusez parfois les « non-accents » je suis en QWERTY)

    NB: Je ne suis pas du tout compétent sur le plan scientifique et mes questions ou remarques sont plus d’ordre intuitif.

    La RG et sont principe d’équivalence, ne peuvent-ils pas être considérés comme parfaits jusqu’a un certain point référentiel, tout comme l’était la théorie de Newton à son époque?

    En effet, jadis, bien que révolutionnaire, et pour cause, la théorie de Newton laissait apparaitre quelques imperfections mineures (Ex : le calcul de l’orbite de Mercure), mais le bon en avant et les outils de mesure disponibles ne permettaient quasiment pas de remettre en cause la théorie.

    La RG peut-elle être perçue de telle sorte qu’elle fonctionne quasiment parfaitement en relation avec son temps, le bon scientifique apporté, et la precision des outils de mesure du XXeme siècle ?

    Intuitivement ou instinctivement, je me laisse influencer par l’idée que, aussi infinitésimale que soit la chose, lorsque je pose le pied par terre, la Terre est également attirée vers moi, tout comme je le suis par elle. Par consequent, j’en conclus hâtivement qu’une boule d’une masse N fois supérieure a une boule de pétanque par exemple, tombe en effet un peu plus vite vers la Terre, et que cette dernière sera plus attirée vers cette boule plus lourde.

    Cette intuition est-elle à ce jour totalement erronée? Ou simplement les ordres de grandeur mis en jeu sont-ils si insignifiants que nous ne sommes pas en mesure pour le moment de l’experimenter correctement?

    Cordialement

    Alexandre

  5. Alexandre, vous avez raison mais la correction est en 1+m/M, avec M la masse de la terre (6.10^24 kg …).
    On prend 1 dans le calcul simple, et avec une boule de 1 kg, l’erreur est de 1 / 6.10^24, donc nettement inférieure à 10^-24 : non mesurable !
    Même avec 1 milliard de tonnes, erreur inférieure à 10^-12 : très difficilement mesurable (et pas simple à mener comme expérience ; -). Sans compter qu’avec ces précisions extrêmes, la théorie newtonienne est insuffisante et il faut prendre en compte la Relativité Générale pour obtenir des résultats précis, tout comme la forme détaillée de la Terre, qui n’est ni ronde ni homogène … Bref, non mesurable.
    Mais dans l’absolu, vous avez raison, deux corps de poids différents chutent à des vitesses (très très) légèrement différentes sur Terre, car eux mêmes créent des champs gravitationnels (différents, car de poids différents).

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