Des chercheurs ont confirmé avec une précision sans précédent une hypothèse fondamentale de la physique : les diverses propriétés de la masse, telles que le poids, l’inertie et la gravitation, sont toujours équivalentes, quelle que soit la composition spécifique de la masse concernée. Cela renforce le principe d’équivalence, essentiel à la théorie de la relativité d’Einstein, et aborde un point critique de divergence entre la physique classique et la physique quantique.
Des équipes de chercheurs de l’université Leibniz de Hanovre et de l’université de Brême confirment un autre principe d’équivalence.
Les scientifiques ont utilisé un demi-siècle de données de télémétrie laser lunaire pour confirmer avec une précision 100 fois supérieure que toutes les propriétés de la masse sont équivalentes. Cette découverte renforce considérablement le principe d’équivalence d’Einstein, pierre angulaire de la théorie de la relativité.
L’une des hypothèses les plus fondamentales de la physique est que les différentes propriétés de la masse – poids, inertie et gravitation – restent toujours les mêmes les unes par rapport aux autres. Sans cette équivalence, la théorie de la relativité d’Einstein serait contredite et nos manuels de physique actuels devraient être réécrits. Bien que toutes les mesures effectuées à ce jour confirment le principe d’équivalence, la théorie quantique postule qu’il devrait y avoir une violation. Cette incohérence entre la théorie gravitationnelle d’Einstein et la théorie quantique moderne est la raison pour laquelle des tests toujours plus précis du principe d’équivalence sont particulièrement importants.
Une équipe du Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l’Université de Brême, en collaboration avec l’Institut de géodésie (IfE) de l’Université Leibniz de Hanovre, a réussi à prouver avec une précision cent fois supérieure que la masse gravitationnelle passive et la masse gravitationnelle active sont toujours équivalentes, quelle que soit la composition particulière des masses respectives. Les recherches ont été menées dans le cadre du pôle d’excellence « QuantumFrontiers ». Le 13 juillet, l’équipe a publié ses résultats dans la revue scientifique Physical Review Letters.
Système binaire Terre-Lune. Crédit : AEOS Medialab, ESA 2002
Contexte physique
La masse inertielle résiste à l’accélération. Par exemple, elle vous pousse vers l’arrière dans votre siège lorsque la voiture démarre. La masse gravitationnelle passive réagit à la gravité et se traduit par notre poids sur Terre. La masse gravitationnelle active désigne la force de gravitation exercée par un objet, ou plus précisément la taille de son champ gravitationnel. L’équivalence de ces propriétés est fondamentale pour la relativité générale. C’est pourquoi l’équivalence de la masse inertielle et de la masse gravitationnelle passive, ainsi que l’équivalence de la masse gravitationnelle passive et de la masse gravitationnelle active, sont testées avec une précision croissante.
Premier auteur de la publication, Vishwa Vijay Singh. Crédit : Singh
Sur quoi portait l’étude ?
Si nous supposons que la masse gravitationnelle passive et la masse gravitationnelle active ne sont pas égales – que leur rapport dépend du matériau – alors les objets constitués de matériaux différents avec un centre de masse différent devraient s’accélérer. Comme la Lune est constituée d’une coquille d’aluminium et d’un noyau de fer, dont les centres de masse sont décalés l’un par rapport à l’autre, la Lune devrait accélérer. Ce changement hypothétique de vitesse pourrait être mesuré avec une grande précision grâce au « Lunar Laser Ranging ». Il s’agit de pointer des lasers depuis la Terre vers des réflecteurs placés sur la Lune par les missions Apollo et le programme soviétique Luna. Depuis lors, les temps de parcours aller-retour des faisceaux laser sont enregistrés. L’équipe de recherche a analysé les données du « Lunar Laser Ranging » recueillies sur une période de 50 ans, de 1970 à 2022, et a étudié les effets de la différence de masse. Aucun effet n’ayant été constaté, cela signifie que les masses gravitationnelles passives et actives sont égales à environ 14 décimales. Cette estimation est cent fois plus précise que la meilleure étude précédente, datant de 1986.
Une expertise unique
L’Institut de géodésie du LUH – l’un des quatre seuls centres au monde à analyser les mesures laser de la distance à la Lune – dispose d’une expertise unique dans l’évaluation des données, en particulier pour tester la relativité générale. Dans la présente étude, l’institut a analysé les mesures du Lunar Laser Ranging, y compris l’analyse des erreurs et l’interprétation des résultats.
Vishwa Vijay Singh, Jürgen Müller et Liliane Biskupek de l’Institut de géodésie de l’Université Leibniz de Hanovre, ainsi qu’Eva Hackmann et Claus Lämmerzahl du Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l’Université de Brême ont publié leurs résultats dans la revue Physical Review Letters, où l’article a été mis en avant dans la catégorie « editors’ suggestion ».
Référence : « Equivalence of Active and Passive Gravitational Mass Tested with Lunar Laser Ranging » par Vishwa Vijay Singh, Jürgen Müller, Liliane Biskupek, Eva Hackmann et Claus Lämmerzahl, 13 juillet 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401