Crédit d'image: NASA / JPL
Tôt ou tard, le règne d'Einstein, comme celui de Newton avant lui, prendra fin. Un bouleversement dans le monde de la physique qui renversera nos notions de réalité de base est inévitable, selon la plupart des scientifiques, et actuellement une course de chevaux est en cours entre une poignée de théories rivalisant pour succéder au trône.
Dans la course, il y a des idées hallucinantes comme un univers à 11 dimensions, des «constantes» universelles (telles que la force de gravité) qui varient dans l'espace et le temps et ne restent vraiment figées que dans une 5e dimension invisible, des cordes vibrantes infinitésimales comme le les constituants fondamentaux de la réalité, et un tissu d'espace et de temps qui n'est pas lisse et continu, comme le croyait Einstein, mais divisé en morceaux discrets et indivisibles de petite taille. L'expérience déterminera finalement quels triomphes.
Un nouveau concept pour une expérience visant à tester les prévisions de la relativité d'Einstein plus précisément que jamais est développé par des scientifiques du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA. Leur mission, qui utilise efficacement notre système solaire comme un laboratoire géant, aiderait à réduire le champ des théories rivales et nous rapprocherait de la prochaine révolution de la physique.
Une maison divisée
Cela ne pèse peut-être pas lourd dans la tête de la plupart des gens, mais un grand schisme a longtemps affligé notre compréhension fondamentale de l'univers. Il existe actuellement deux façons d'expliquer la nature et le comportement de l'espace, du temps, de la matière et de l'énergie: la relativité d'Einstein et le «modèle standard» de la mécanique quantique. Les deux sont extrêmement réussis. Le système de positionnement global (GPS), par exemple, ne serait pas possible sans la théorie de la relativité. Les ordinateurs, les télécommunications et Internet, quant à eux, sont des retombées de la mécanique quantique.
Mais les deux théories sont comme des langues différentes, et personne ne sait encore comment traduire entre elles. La relativité explique la gravité et le mouvement en unissant l'espace et le temps dans un tissu de réalité élastique et dynamique à 4 dimensions appelé espace-temps, qui est courbé et déformé par l'énergie qu'il contient. (La masse est une forme d'énergie, elle crée donc la gravité en déformant l'espace-temps.) La mécanique quantique, en revanche, suppose que l'espace et le temps forment une «scène» plate et immuable sur laquelle se déroule le drame de plusieurs familles de particules. . Ces particules peuvent se déplacer en avant et en arrière dans le temps (quelque chose que la relativité ne permet pas), et les interactions entre ces particules expliquent les forces fondamentales de la nature - à l'exception flagrante de la gravité.
L'impasse entre ces deux théories dure depuis des décennies. La plupart des scientifiques supposent qu'en fin de compte, une théorie unificatrice sera développée qui subsume les deux, montrant comment les vérités qu'elles contiennent chacune peuvent parfaitement s'intégrer dans un cadre de réalité unique et englobant. Une telle «théorie de tout» affecterait profondément notre connaissance de la naissance, de l'évolution et du sort éventuel de l'univers.
Slava Turyshev, un scientifique du JPL, et ses collègues ont réfléchi à un moyen d'utiliser la Station spatiale internationale (ISS) et deux mini-satellites en orbite de l'autre côté du soleil pour tester la théorie de la relativité avec une précision sans précédent. Leur concept, développé en partie grâce au financement du Bureau de la recherche biologique et physique de la NASA, serait si sensible qu'il pourrait révéler des failles dans la théorie d'Einstein, fournissant ainsi les premières données solides nécessaires pour distinguer lesquelles des théories concurrentes de tout concordent avec la réalité et qui sont simplement de la craie fantaisie.
L’expérience, appelée Laser Astrometric Test Of Relativity (LATOR), examinerait comment la gravité du soleil dévie les faisceaux de lumière laser émis par les deux mini-satellites. La gravité courbe le chemin de la lumière car elle déforme l'espace à travers lequel la lumière passe. L'analogie standard pour cette déformation de l'espace-temps par gravité est d'imaginer l'espace comme une feuille de caoutchouc plate qui s'étire sous le poids d'objets comme le soleil. La dépression dans la feuille ferait tourner légèrement un objet (même une particule de lumière sans masse) à proximité du soleil.
En fait, c'est en mesurant la flexion de la lumière des étoiles par le soleil lors d'une éclipse solaire en 1919 que Sir Arthur Eddington a testé pour la première fois la théorie d'Einstein de la relativité générale. En termes cosmiques, la gravité du soleil est assez faible; la trajectoire d'un faisceau de lumière rasant le bord du soleil ne serait courbée que d'environ 1,75 seconde d'arc (une seconde d'arc correspond à 1/3600 de degré). Dans les limites de la précision de son équipement de mesure, Eddington a montré que la lumière des étoiles se courbait effectivement de cette quantité - et, ce faisant, mettait effectivement en cause Newton.
LATOR mesurerait cette déviation avec un milliard (109) fois la précision de l'expérience d'Eddington et 30000 fois la précision du détenteur du record actuel: une mesure fortuite utilisant des signaux du vaisseau spatial Cassini en route pour explorer Saturne.
«Je pense que [LATOR] serait une avancée assez importante pour la physique fondamentale», déclare Clifford Will, professeur de physique à l'Université de Washington, qui a apporté une contribution majeure à la physique post-newtonienne et n'est pas directement impliqué dans LATOR. "Nous devons continuer à essayer de faire pression pour plus de précision dans les tests de relativité générale, tout simplement parce que tout type de déviation signifierait qu'il y a une nouvelle physique que nous ignorions auparavant."
Laboratoire solaire
L'expérience fonctionnerait comme ceci: Deux petits satellites, chacun d'environ un mètre de large, seraient lancés sur une orbite faisant le tour du soleil à peu près à la même distance que la Terre. Cette paire de mini-satellites orbiterait plus lentement que la Terre, donc environ 17 mois après le lancement, les mini-satellites et la Terre seraient sur des côtés opposés du soleil. Même si les deux satellites seraient distants d'environ 5 millions de kilomètres, l'angle entre eux, vu de la Terre, serait minuscule, seulement d'environ 1 degré. Ensemble, les deux satellites et la Terre formeraient un triangle maigre, avec des faisceaux laser le long de ses côtés, et l'un de ces faisceaux passant près du soleil.
Turyshev prévoit de mesurer l'angle entre les deux satellites à l'aide d'un interféromètre monté sur l'ISS. Un interféromètre est un appareil qui capte et combine des faisceaux de lumière. En mesurant comment les ondes lumineuses des deux mini-satellites «interfèrent» l'une avec l'autre, l'interféromètre peut mesurer l'angle entre les satellites avec une précision extraordinaire: environ 10 milliardièmes de seconde d'arc, ou 0,01? As (micro-secondes d'arc). Lorsque la précision des autres parties de la conception LATOR est prise en compte, cela donne une précision globale pour mesurer la gravité de la flexion du faisceau laser d'environ 0,02? Comme pour une mesure unique.
«L'utilisation de l'ISS nous offre quelques avantages», explique Turyshev. «D'une part, il est au-dessus des distorsions de l'atmosphère terrestre, et il est également assez grand pour nous permettre de placer les deux lentilles de l'interféromètre très loin l'une de l'autre (une lentille à chaque extrémité de la poutre du panneau solaire), ce qui améliore la résolution et la précision de la résultats."
La précision de 0,02 po du LATOR est suffisamment bonne pour révéler des écarts par rapport à la relativité d'Einstein prédits par les aspirantes théories de tout, qui varient d'environ 0,5 à 35 po. L'accord avec les mesures de LATOR serait un coup de pouce majeur pour l'une de ces théories. Mais si aucune déviation d'Einstein n'est trouvée même par LATOR, la plupart des prétendants actuels - avec leurs 11 dimensions, leur espace pixellisé et leurs constantes inconstantes - subiront un coup fatal et "passeront" à cette grande pile de bibliothèque poussiéreuse dans le ciel. .
Parce que la mission ne nécessite que des technologies existantes, Turyshev dit que LATOR pourrait être prêt à voler dès 2009 ou 2010. Il ne faudra donc peut-être pas trop longtemps avant que l'impasse de la physique ne soit brisée et qu'une nouvelle théorie de la gravité, de l'espace et du temps ne prenne trône.
Source d'origine: NASA / Science Story
