Et si on violait le principe d’équivalence de la chute libre ? Les explications de Thibault Damour

L'universalité de la chute libre n'est toujours pas remise en question, mais que se passerait-il si cela devait arriver ? Les expériences menées à bord de Microscope sont-elles en mesure d'apporter des réponses de manière définitive ? Thibault Damour, médaille d'or du CNRS répond à nos questions. 

Début décembre, le CNRS avait organisé une conférence de presse pour une annonce qui pourrait paraitre anodine, mais qui a tout de même son importance : le satellite Microscope confirmait l'universalité de la chute libre avec « une précision inégalée ».

Pour mener à bien sa mission, il mesure la chute libre autour de la Terre de deux masses différentes (voir ici pour les explications). La différence est de l'ordre de 2x10^-14 (soit 14 chiffres après la virgule), un facteur d'amélioration de 10 par rapport aux précédentes mesures et devrait atteindre 10^-15 au final.

Du principe d'équivalence à la théorie de la Relativité générale

Thibault Damour, médaille d'or du CNRS pour ses travaux sur les ondes gravitationnelles et professeur permanent à l'Institut des Hautes Études Scientifiques, nous explique les résultats de Microscope sont « gagnant/gagnant » : « un facteur 100 [objectif prévu à la fin de la mission] d'améliorations sur un test fondamental , c'est énorme pour tout le monde ». Et si on découvre une violation, « c'est encore plus important ».

Pour rappel, le principe d'équivalence prédit que, dans le vide, tous les corps tombent avec la même vitesse, quelles que soient leur composition et leur masse. Une démonstration visuelle assez impressionnante (et déroutante à regarder) a été réalisée par Brian Cox (BBC) dans une immense chambre sous vide :

Ce résultat de Microscope est issu d'une première série de mesures et d'autres sont en cours (jusqu'en mars 2018 normalement) afin d'affiner davantage la précision des résultats. Si le satellite ne trouve rien de plus, alors pas de révolution dans le monde de la physique. Attention, cela ne signifiera alors pas que le principe d'équivalence ne pourra pas être violé à un niveau encore plus faible, juste qu'il ne se passe rien avec une précision de 10^-15.

Dans le cas contraire, il s'agirait ni plus ni moins d'une brèche dans la théorie de la Relativité générale, excusez du peu. Si Microscope peut apporter cette preuve, il est également possible que sa manière de mesurer la chute libre sur de grandes distances l'en empêche.

Afin d'y voir plus clair, Thibault Damour anticipe avec nous les conséquences d'une telle découverte, et évoque au passage quelques pistes de réflexion sur les manières dont le principe d'équivalence pourrait être violé. 

Que faire si le principe d'équivalence était mis en défaut par les mesures ?

Il commence par nous expliquer que « Microscope peut dire qu'il y a une violation, mais ne peut pas dire qu'elle est du type de tel champ du dilaton ou d'un autre champ » ; il ne s'agira « que » d'un résultat global. Donc, il faudra « immédiatement compléter en envoyant un Microscope ou quelque chose du même genre qui a plusieurs paires de masses différentes. Ça déterminera quel est le type de couplage. Ça dira assez précisément, "c'est un champ de tel type", et là ça deviendra de la physique ».

Il ne sera alors pas forcément nécessaire de chercher à obtenir des résultats avec encore plus de précision : « Une fois qu'on a trouvé [une incohérence, ndlr], on peut explorer. Après évidemment on peut raffiner, mais raffiner est moins important qu'identifier les types de matériaux qui tombent ». 

La violation du principe d'équivalence pourrait-elle dépendre de plusieurs éléments ? « Oui c'est possible, mais ne compliquons pas. S’il y en a déjà un, c'est beaucoup » ajoute Thibault Damour.

Et si la violation était « exponentiellement décroissante avec la distance » ?

Le physicien nous guide ensuite vers une autre hypothèse : « Ici on parle de violation à grande distance, à longue portée. Mais il est tout à fait possible qu'il n'y ait pas de violation à grande distance ». Une éventuelle violation du principe d'équivalence pourrait être « exponentiellement décroissante avec la distance [...] je suis convaincu qu'il y a des violations du principe d'équivalence, mais elles se font en dessous du micron ».

Il ajoute que, « beaucoup de gens auraient tendance à penser que la théorie des cordes prédit des violations du principe d'équivalence, ça tout le monde est d'accord, mais qu'elles sont écrantées à longues distances et qu'elles n'existent plus qu'à très courte portée ». Problème, « si c'est le cas, aucun Microscope ne verra jamais rien, il faut autre chose ».

Pour rappel, le satellite mesure la chute libre autour de la Terre de deux masses différentes. En décembre 2017, après un an d'exploitation, 1 900 orbites « utiles à la mesure du principe d’équivalence » avaient été enregistrées, soit environ 85 millions de km... nous sommes donc très loin du micron dont parlait Thibault Damour.

Mais est-il possible de vérifier le principe d'équivalence sur de si petites distances ? Oui, pour le physicien. Une possibilité serait de « mesurer la force de gravité dans des objets très proches l'un de l'autre et voir que la gravitation devient un peu différente à courte portée ».

De quel côté penche la communauté : violation ou non ? 

Nous cherchons ensuite à savoir si, en cas de nouvelle confirmation du principe d'équivalence, il faudrait relancer un nouveau satellite, et surtout jusqu'où il faudrait aller dans la quête de précision ? « Si on fait l'hypothèse que c'est à longue portée, Microscope pourrait voir quelque chose, mais on ne sait toujours pas le niveau. Je pense que s'il n'y avait rien à 10^-18, alors là il faudrait abandonner les choses ».

De manière générale, nous demandons au spécialiste si l'avis de la communauté scientifique balance plutôt du côté du principe d'équivalence ou de sa violation : « On verra bien... Même moi qui ai travaillé pour montrer qu'il y avait des modèles prédisant une violation [...] je ne peux absolument pas affirmer face à d'autres théoriciens que c'est une prédiction sure ».

Quoi qu'il en soit, tous ces différents modèles « montrent qu'il y a une possibilité, ce qui est très important, car si tous les modèles montraient que "non on ne verra rien en dessous de 10^-18", Microscope ne se serait pas fait. C'est parce qu'il y avait des possibilités théoriques ». 

« Le modèle standard est un bordel innommable »

En guise de conclusion sur les questions restant en suspens en physique, Thibault Damour cite Newton : « Plus on avance, plus on voit que l'océan de notre ignorance est grand. Ça reste vrai sur chaque question fondamentale de la physique, chaque nouvelle découverte ouvre plus de questions qu'avant ». 

Nous demandons ensuite si une éventuelle théorie universelle et/ou des théories plus simples que celles dont nous disposons actuellement seraient encore à découvrir, ou s'il ne faut pas faire table rase du passé et essayer de repartir de zéro sur de nouvelles bases. On peut parfois avoir l'impression en effet de toujours ajouter des contraintes aux théories existantes pour les forcer à prendre en compte les observations. 

« En même temps on progresse, lâche le théoricien. La masse des neutrinos, on ne sait pas quelle est son origine, c'est une grande découverte de la voir, mais personne ne comprend l'origine de cela. Le modèle standard c'est un bordel innommable. Il y a maintenant une centaine de paramètres, cela ne peut pas être comme ça. Il doit y avoir une structure en dessous. Toutes les théories sont à la recherche de complétion, aller plus loin. Mais la nature fait des choix, dont on aura peut-être du mal à comprendre la physique sous-jacente ».

Les théories s'emboitent comme des poupées russes

Il ajoute par contre qu'il n'y a « pas de raison de repartir de 0, parce que l'édifice est tellement riche et tellement bien vérifié qu'on ne peut pas douter. La situation de la physique est étrange : à la fois on sait qu'elle est incomplète, que nos théories actuelles seront modifiées dans le futur, mais en même temps on sait (comme pour la théorie de Newton), que nos théories actuelles garderont aussi leur validité ad infinitum dans leur domaine. Donc elles font partie de la vérité ». 

« La théorie de Newton n'a pas été jetée à la poubelle et remplacée par des choses qui n'ont rien à voir, la théorie d'Einstein contient la théorie de Newton, ce sont des poupées russes qui sont englobées les unes dans les autres. Donc tout ce que l'on sait aujourd'hui va rester, va éventuellement être modifié profondément par en dessous, mais à un certain niveau restera vrai ». Dans tous les cas, « on est loin d'avoir tout compris » lâche-t-il en guise de conclusion.