Pourquoi tester le principe d’équivalence?

Commençons par rappeler ce qu’est le principe d’équivalence.

Le principe d’équivalence exprime une propriété qui est au fondement de la théorie de la relativité générale  d’Einstein : l’équivalence entre accélération et champ gravitationnel. Plus précisément, les observations faites dans un système en accélération (par exemple une fusée) sont indistinguables de celles faites dans un champ gravitationnel (par exemple sur Terre).

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Ceci permet de mieux comprendre la notion de masse, qui décrit en fait deux concepts apparemment indépendants:

  • la masse d’un objet matériel caractérise la façon dont il couple au champ gravitationnel; par exemple un objet plus massif est soumis à une plus grande attraction à la Terre, un plus grand poids. Cette masse est appelée la masse gravitationnelle.
  • la masse d’un objet matériel caractérise son inertie, c’est-à-dire sa résistance aux changements de mouvement. Cette masse est appelée la masse inertielle. Puisque l’accélération correspond à un changement de vitesse, donc un changement de mouvement, c’est cette masse qui apparait dans la fameuse loi du mouvement: force = masse x accélération.

Le principe d’équivalence nous dit que masse gravitationnelle et masse inertielle sont identiques. C’est pourquoi il est si difficile de prime abord de distinguer la notion de poids (reliée à la masse gravitationnelle) de celle d’inertie (reliée à la notion de masse inertielle).

Ce principe a des conséquences importantes. Prenez par exemple un kilogramme d’or et un de platine. Ils résistent de façon identique à des changements de mouvement: ils ont la même masse inertielle. Ils ont donc la même masse gravitationnelle et des mouvements identiques dans un champ gravitationnel; ils sont par exemple attirés de la même façon par la Terre. Ceci a été vérifié au sol jusqu’à une précision d’un pour 10 000 000 000 000 (soit 10-13).

Mais les théoriciens ne sont pas complètement satisfaits avec la théorie d’Einstein. Ils aimeraient unifier la relativité générale avec la théorie quantique qui décrit les forces non gravitationnelles. Ils doivent donc changer, quoique de façon très subtile, la description de l’attraction gravitationnelle. Mais en agissant ainsi, ils perdent souvent l’identification entre masse gravitationnelle et masse inertielle.

Considérons par exemple la théorie des cordes où les objets de base ne sont plus des  particules ponctuelles mais des objets unidimensionnels microscopiques (les cordes!): nos bonnes vieilles particules sont considérées comme des grains d’énergie qui correspondent à des modes de vibration de ces cordes fondamentales. Nous avons l’habitude des cordes (de violon) émettant des ondes (sonores), mais rappelez-vous que, dans le monde microscopique, ondes et particules sont unifiées dans un concept unique (les deux faces d’une même pièce si vous préférez). C’est pourquoi différents types d’oscillations des cordes fondamentales microscopiques correspondent à différents types de particules, avec des énergies différentes E, donc des masses différentes m (E=mc2).

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Maintenant, dans une telle théorie, la force gravitationnelle entre deux particules/ondes est comprise comme une oscillation, ou une série d’oscillations de la corde sous-jacente. Et il n’est pas du tout évident que la force gravitationnelle entre disons deux protons est identique à la force gravitationnelle entre deux neutrons, ou entre un proton et un neutron. Ainsi, si deux objets matériels ont la même masse inertielle mais un nombre différent de protons et de neutrons, ils pourraient tomber différemment dans le champ gravitationnel de la Terre. Ils auraient alors des masses gravitationnelles différentes. Ceci conduit à une violation du principe d’équivalence.

C’est exactement ce que la mission Microscope cherche à tester, en gagnant deux ordres de grandeur sur les expériences existant sur Terre (10-15).

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