ONERA
L’une des notions les plus contre-intuitives en physique est que tous les objets tombent à la même vitesse, quelle que soit leur masse, également connue sous le nom de principe d’équivalence. Cela a été illustré de manière mémorable en 1971 par l’astronaute d’Apollo 15 de la NASA, David Scott, lors d’un moonwalk. Il a laissé tomber une plume de faucon et un marteau en même temps via une émission télévisée en direct, et les deux objets ont touché le sol simultanément.
Il existe une longue tradition de tests expérimentaux du principe d’équivalence faible, qui forme la base de la théorie générale de la relativité d’Albert Einstein. Essai après essai pendant de nombreux siècles, le principe d’équivalence a tenu bon. Et maintenant, la mission MICROSCOPE (MICROSatellite pour l’Observation de Principe d’Equivalence) a réalisé le test le plus précis du principe équivalent à ce jour, confirmant une fois de plus Einstein, selon un article récent publié dans la revue Physical Review Letters. (Des articles connexes supplémentaires sont parus dans une édition spéciale de Classical and Quantum Gravity.)
Essais, 1,2,3
John Philoponus, le philosophe du 6ème siècle, a été le premier à affirmer que la vitesse à laquelle un objet tombe n’a rien à voir avec son poids (masse) et est devenu plus tard une influence majeure sur Galileo Galilei quelque 900 ans plus tard. Galilée aurait largué des boulets de canon de différentes masses depuis la célèbre tour penchée de Pise en Italie, mais l’histoire est probablement apocryphe.
galiléen fabriqué faire rouler les balles sur des plans inclinés, ce qui garantissait que les balles roulaient à des vitesses beaucoup plus faibles, ce qui rendait leur accélération plus facile à mesurer. Les boules étaient de taille similaire, mais certaines étaient en fer, d’autres en bois, ce qui rendait leurs masses différentes. Faute d’une horloge précise, Galileo aurait chronométré le voyage des balles avec son pouls. Et comme Philoponus, il a découvert que peu importe l’inclinaison, les balles voyageraient à la même vitesse.
Galilée a ensuite affiné son approche à l’aide d’un appareil à pendule, qui consistait à mesurer la période d’oscillation de pendules de masse différente mais de longueur identique. C’était aussi la méthode privilégiée par Isaac Newton vers 1680, et plus tard, en 1832, par Friedrich Bessel, qui améliorait grandement la précision des mesures. Newton s’est également rendu compte que le principe s’étendait aux corps célestes, calculant que la Terre et la Lune, ainsi que Jupiter et ses satellites, tombent vers le Soleil à la même vitesse. La Terre a un noyau de fer, tandis que le noyau de la Lune est constitué principalement de silicates, et leurs masses sont assez différentes. Cependant, les expériences de télémétrie lunaire au laser de la NASA ont confirmé les calculs de Newton : elles tombent en fait autour du Soleil à la même vitesse.
Vers la fin du XIXe siècle, le physicien hongrois Loránd Eötvös a combiné l’approche du pendule avec une balance de torsion pour créer un pendule de torsion et l’a utilisé pour faire une preuve encore plus précise du principe d’équivalence. Ce simple bâton droit s’est avéré suffisamment précis pour tester plus précisément le principe d’équivalence. Des balances de torsion ont également été utilisées dans des expériences ultérieures, comme celle de 1964 qui utilisait des morceaux d’aluminium et d’or comme masses d’essai.
CNES
Einstein a cité l’expérience d’Eötvös vérifiant le principe d’équivalence dans son article de 1916 jetant les bases de sa théorie générale de la relativité. Mais la relativité générale, si elle fonctionne assez bien à l’échelle macro, échoue à l’échelle subatomique, où les règles de la mécanique quantique entrent en jeu. Les physiciens ont donc recherché des violations d’équivalence sur ces échelles quantiques. Ce serait la preuve d’une nouvelle physique potentielle qui pourrait aider à unifier les deux en une seule grande théorie.
Une méthode pour prouver l’équivalence à l’échelle quantique consiste à utiliser l’interférométrie à ondes de matière. Il est lié à l’expérience classique de Michaelson-Morley qui tentait de détecter le mouvement de la Terre à travers un milieu appelé éther luminifère, qui, selon les physiciens de l’époque, imprégnait l’espace. À la fin du 19e siècle, Thomas Young a utilisé un tel instrument pour sa célèbre expérience à double fente pour tester si la lumière était une particule ou une onde, et comme nous le savons maintenant, la lumière est les deux. Il en va de même pour la matière.
Des expériences antérieures utilisant l’interférométrie des ondes de matière ont mesuré la chute libre de deux isotopes du même élément atomique, espérant en vain détecter des différences infimes. En 2014, une équipe de physiciens pensait qu’il n’y avait peut-être pas assez de différence entre leurs compositions pour atteindre une sensibilité maximale. Ils ont donc utilisé des isotopes de différents éléments dans leur version de ces expériences, à savoir des atomes de rubidium et de potassium. Les impulsions laser garantissaient que les atomes tombaient dans deux chemins séparés avant de se recombiner. Les chercheurs ont observé le schéma d’interférence révélateur, indiquant que l’équivalence était toujours inférieure à 1 partie sur 10 millions.