La boule d'or utilisée en comparaison de taille avec une pièce de 1 cent. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, chaque masse plie l'espace-temps. Crédit :© Tobias Westphal / Arkitek Scientific
Chercheurs de l'Université de Vienne et de l'Académie autrichienne des sciences, dirigé par Markus Aspelmeyer ont réussi à mesurer le champ gravitationnel d'une sphère d'or, seulement 2 mm de diamètre, en utilisant un pendule très sensible et donc la plus petite force gravitationnelle. L'expérience ouvre de nouvelles possibilités pour tester les lois de la gravité à de petites échelles jusqu'alors inconnues. Les résultats sont publiés dans la revue La nature .
La gravité est la plus faible de toutes les forces connues dans la nature, et pourtant elle est la plus fortement présente dans notre vie quotidienne. Chaque balle que nous lançons, chaque pièce que nous laissons tomber, tous les objets sont attirés par la gravité terrestre. Dans le vide, tous les objets proches de la surface de la Terre tombent avec la même accélération :leur vitesse augmente d'environ 9,8 m/s chaque seconde. La force de gravité est déterminée par la masse de la Terre et la distance au centre. Sur la Lune, qui est environ 80 fois plus légère et presque 4 fois plus petite que la Terre, tous les objets tombent 6 fois plus lentement. Et sur une planète de la taille d'une coccinelle ? Les objets y tomberaient 30 milliards de fois plus lentement que sur Terre. Des forces gravitationnelles de cette magnitude ne se produisent normalement que dans les régions les plus éloignées des galaxies pour piéger les étoiles éloignées.
Une équipe de physiciens quantiques dirigée par Markus Aspelmeyer et Tobias Westphal de l'Université de Vienne et de l'Académie autrichienne des sciences a maintenant démontré ces forces en laboratoire pour la première fois. Faire cela, les chercheurs se sont inspirés d'une expérience célèbre menée par Henry Cavendish à la fin du XVIIIe siècle.
Au temps d'Isaac Newton, on croyait que la gravité était réservée aux objets astronomiques tels que les planètes. Ce n'est que grâce aux travaux de Cavendish (et de Nevil Maskelyne avant lui) qu'il a été possible de montrer que les objets sur Terre génèrent également leur propre gravité. À l'aide d'un élégant dispositif à pendule, Cavendish a réussi à mesurer la force gravitationnelle générée par une boule de plomb de 30 cm de haut et pesant 160 kg en 1797. Un pendule de torsion - deux masses aux extrémités d'une tige suspendue à un fil fin et libre de tourner - est dévié de manière mesurable par la force gravitationnelle de la masse de plomb. Au cours des siècles à venir, ces expériences ont été perfectionnées pour mesurer les forces gravitationnelles avec une précision croissante.
La gravité est mesurée entre deux masses d'or (de 1 mm de rayon chacune) qui sont rapprochées l'une de l'autre. Crédit : Tobias Westphal, Université de Vienne
L'équipe de Vienne a repris cette idée et construit une version miniature de l'expérience de Cavendish. Une sphère d'or de 2 mm pesant 90 mg sert de masse gravitationnelle. Le pendule de torsion est constitué d'une tige de verre de 4 cm de long et d'un demi-millimètre d'épaisseur, suspendu à une fibre de verre de quelques millièmes de millimètre de diamètre. Des sphères d'or de taille similaire sont attachées à chaque extrémité de la tige. "Nous déplaçons la sphère d'or d'avant en arrière, créer un champ gravitationnel qui change avec le temps, " explique Jeremias Pfaff, l'un des chercheurs impliqués dans l'expérience. "Cela fait osciller le pendule de torsion à cette fréquence d'excitation particulière."
Le mouvement, qui n'est que de quelques millionièmes de millimètre, peut alors être lu à l'aide d'un laser et permet de tirer des conclusions sur la force. La difficulté est de garder les autres influences sur le mouvement aussi petites que possible. "Le plus grand effet non gravitationnel de notre expérience provient des vibrations sismiques générées par les piétons et la circulation du tramway autour de notre laboratoire à Vienne, " explique le co-auteur Hans Hepach :" Nous avons donc obtenu les meilleures données de mesure la nuit et pendant les vacances de Noël, quand il y avait peu de trafic. » D'autres effets tels que les forces électrostatiques pourraient être réduits à des niveaux bien inférieurs à la force gravitationnelle par un écran conducteur entre les masses d'or.
Cela a permis de déterminer le champ gravitationnel d'un objet qui a à peu près la masse d'une coccinelle pour la première fois. Comme prochaine étape, il est prévu d'étudier la gravité de masses des milliers de fois plus légères.
La possibilité de mesurer des champs gravitationnels de petites masses et à petites distances ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche en physique gravitationnelle; des traces de matière noire ou d'énergie noire pourraient être trouvées dans le comportement de la gravité, qui pourrait être responsable de la formation de notre univers actuel. Les chercheurs d'Aspelmeyer s'intéressent particulièrement à l'interface avec la physique quantique :la masse peut-elle être rendue suffisamment petite pour que les effets quantiques jouent un rôle ? Seul le temps nous le dira. Pour l'instant, la fascination pour la théorie de la gravité d'Einstein prévaut toujours. « D'après Einstein, la force gravitationnelle est une conséquence du fait que les masses courbent l'espace-temps dans lequel d'autres masses se déplacent, " dit le premier auteur Tobias Westphal. " Donc, ce que nous mesurons en fait ici, c'est comment une coccinelle déforme l'espace-temps. "
