Le Principe d'Équivalence, ça marche !

[Vincent Boudon]

Bon j'ai évité le titre bateau "Einstein fait encore raison"

L'expérience du satellite français Microscope a en tous cas permis de vérifier le principe d'équivalence avec une précision extrême, de 10 puissance moins 15 !

Les scientifiques projettent Microscope-2 qui gagnerait encore 2 ordres de grandeur !

https://www.cieletespace.fr/actualites/ ... microscope

[Georges Leterme]

J'ai du mal de comprendre pourquoi on s'acharne à vouloir vérifier que la masse gravitationnelle et la masse inertielle sont deux choses égales puisqu'il me semble bien que c'est la seule et même chose…
L'article cité invoque la loi de la chute des corps (le marteau et la plume touchant le sol en même temps). La masse gravitationnelle est donc, dans cet exemple, ce que l'on nomme couramment la masse-pesante.

Imaginons un physicien dans un ascenseur dont le câble se rompt subitement. L'ascenseur, le physicien et les objets qui l'accompagnent deviennent tous des corps libres en chute dans le champ de pesanteur terrestre. Le plancher de l'ascenseur, qui tombe à la même vitesse que tous les corps qu'il portait, n'exerce plus de réaction contre l'action de pesanteur de ces corps, lesquels sont "flottants" dans le référentiel-ascenseur (comme s'ils étaient à côté de l'ascenseur). La pesanteur n'étant plus apparente, ce référentiel est galiléen : il y règne la loi d'inertie exactement comme s'il était une fusée en vitesse uniforme dans un espace hors de tout champ de forces.
Nous voyons là s'assimiler physiquement la masse-inerte et la masse-pesante, la première se substituant à la deuxième au moment de la rupture du câble. Par rapport à l'ascenseur en chute libre, notre physicien observe des corps livrés à la loi d'inertie (exercée sur leur masse-inerte), alors qu'un collègue immobile par rapport aux escaliers observe des corps (dont l'ascenseur) soumis à des forces gravitationnelles (exercées sur leur masse-pesante.)
Imaginons maintenant un laboratoire aménagé dans un compartiment sans hublot d'une fusée spatiale. La fusée est à terre, et son départ n'est prévu que dans plusieurs jours. Le physicien de service en profite pour s'endormir profondément. Pendant son sommeil, un contre-ordre ordonne le départ anticipé de la fusée qui décolle sans le réveiller. Quelques heures plus tard, la fusée se trouve en mouvement de translation rectiligne uniformément accéléré, dans un espace hors de tout champ gravitationnel, et l'accélération vaut (par un hasard propice...) exactement l'intensité du champ de pesanteur "g" à son point de départ. C'est alors que le physicien se réveille. Il ne se rend compte de rien, car il ne peut pas savoir que la fusée est en mouvement accéléré. Que se passe-t-il donc ?
Le plancher et les meubles du laboratoire exercent sur le physicien et tous les objets qui l'accompagnent une force de "poussée" exactement égale à la force de réaction qu'ils exerçaient sur eux avant le départ (contre l'action de leur poids.) Notre physicien se tient "debout" de la même façon ; sa balance lui indique son poids normal. Admettons qu'il tienne un objet en main. Cet objet subit la même accélération que la fusée, qui lui est transmise par la main.
À l'instant t, il lâche l'objet. L'accélération n'étant plus transmise, l'objet devient un corps libre dans l'espace, livré à la loi d'inertie. Il conserve donc uniformément la vitesse à laquelle il a été lâché, qui est la vitesse de la fusée à cet instant précis. Le plancher du laboratoire, animé d'une vitesse croissante, le rattrape au bout du temps dT. Nous comprenons très bien que dT ne dépend que de la vitesse de la fusée et est complètement indépendant de l'objet, et donc de sa masse-inerte (car c'est bien la masse-inerte qui est en jeu.) L'homme peut saisir n'importe quel objet, il constatera le même temps de "chute".
Autrement dit : le physicien observe que les corps sont soumis aux mêmes lois que dans le champ de pesanteur où il se trouvait. Ces lois révèlent une constante propre à chacun des corps (que ce physicien nomme masse-pesante), et présentent cette fameuse caractéristique de leur communiquer la même accélération (en réalité celle de la fusée, mais l'opérateur l'ignore. Pour lui, la fusée n'a pas bougé ! Il s'agit du champ de pesanteur terrestre.)
Et nous voyons là encore, physiquement, s'assimiler la masse-inerte et la masse-pesante. Les forces d'inertie agissant sur les corps libres dans la fusée accélérée sont équivalentes aux forces gravitationnelles agissant sur eux dans la fusée immobile sur le sol terrestre. Et la fusée est un référentiel accéléré équivalent à un référentiel au repos situé dans un champ gravitationnel.

Ce que je crois, c'est que l'on cherche à valider (en vain jusqu'à présent) la théorie des cordes qui admet l'inégalité des deux concepts de masse.

[Vincent Boudon]

Oui mais ce que tu décris est une "expérience de pensée" bien connue. Et l'on cherche à vérifier ça par l'expérience.

Je pense que si l'on s'acharne ainsi c'est justement par rapport aux théories, non-finalisées c'est certain (théorie des cordes, gravité quantique à boucles, … et autres) qui cherchent à unifier la physique.

Une déviation (même absolument infime) ou non est un indice pour la direction où chercher.

[Jean-Jacques Wawrzyniak]

Toujours pas de violation donc pas douverture vers une nouvelle physique (dommage ! )et de la techno de très haut niveau :

https://www.onera.fr/fr/actualites/theo ... microscope

Les publis associées :

https://journals.aps.org/prl/abstract/1 ... 129.121102
https://iopscience.iop.org/article/10.1 ... 382/ac5acd

JJ

[Georges Leterme]

Je comprends bien, Vincent, ce que tu veux dire. C'est vrai qu'une expérience de pensée telle que je l'ai décrite, abstraite par définition, doit être impérativement vérifiée physiquement.
Mais tout de même…
C'était une expérience de pensée au départ, du temps d'Einstein. Les choses ont évolué.
Le comportement d'un corps libre dans un référentiel accéléré a bien été expérimenté dans des avions et des fusées et cautionnent donc la description de ce qui se passe dans l'ascenseur en chute libre (qui a été expérimenté aussi). Pour le physicien dans l'ascenseur (ou l'aviateur, ou l'astronaute, d'en d'autres configurations) le corps se manifeste par sa masse inerte, et ce même corps dans le même évènement se manifeste par sa masse-pesante (gravitationnelle) pour le physicien dans l'escalier.
Les expériences tentées pour détacher les deux masses semblent bien vouées à l'échec, mais il est vrai, tu as raison, qu'il faut le vérifier par principe.
(Cela dit, s'il fallait être aussi pointilleux pour tout, la seule chose certaine pour chacun de nous serait sa propre existence individuelle).

Les théories d'unification dont tu parles risquent d'être des coups d'épée dans l'eau. Elles sont opportunistes ce qui n'est pas une bonne méthode scientifique et les savants le savent bien… Il y a un peu de désespérance dans ces démarches.
Elles sont opportunistes parce qu'elles veulent atteindre à tout prix un but fixé d'avance : l'unification. Cela finit par être du bricolage, comme l'a été, par exemple, cette laborieuse et insolite théorie de l'éther pour expliquer la propagation des ondes électromagnétiques dans le vide. Il a fallu penser autrement ! Il faut une nouvelle idée initiale pour débloquer la contradiction, et ce n'est pas le cas. On veut que "ça marche" : alors on essaye des cordes, des boucles… On "essaye", et "ça ne marche pas"…
On a du mal de concevoir une non-unification des deux théories actuelles. Si on n'y arrive pas, c'est qu'il doit y avoir un défaut au moins dans l'une des deux.

Bon. J'en conviens, mon propos est outrageusement prétentieux.
C'est la vocation du forum d'échanger des idées. Je joue le jeu.
Car c'est un jeu…

[Vincent Boudon]

Si on n'y arrive pas, c'est qu'il doit y avoir un défaut au moins dans l'une des deux.

Oui !!! Justement ce que cherchent les gens, indépendamment des tentatives théoriques en cours (sans doute vouées à l'échec c'est vrai), c'est donc de voir si il n'y a pas une faille, même infime, dans les deux grandes théories.

En physique quantique, c'est difficile, car les mesures que l'ont fait au niveau des particules, atomes, molécules, ont déjà une précision démentielle.

Là on cherche à atteindre le même genre de précision, ce qui est logique, au niveau gravitation (relativité), ce qui est logique. C'est resté longtemps difficile à atteindre. La grande probabilité est que ça ne donnera rien … ce qui est déjà quelque chose !!!

Incidemment, ce genre d'expérience à la précision extrême aura des retombées intéressantes en métrologie. Je pense qu'il y a déjà pas mal de brevets là-derrière.

In fine, le fait de rester avec deux théories incompatibles, mais qui, dans leur domaines d'application respectifs, sont vérifiées à un niveau de précision de fou va continuer de perturber les physiciens. Le seul endroit réel où ces deux théories doivent nécessairement se "regrouper" c'est vers une "singularité" (qui ne doit pas en être une), donc au "moment" du Big-Bang ou dans un trou noir. Mais de fait, on ne peut pas y accéder … Donc on pourrait dire qu'on s'en moque. Mais, cela reste quand même bien peu satisfaisant !

[Vincent Boudon]

Un article simple du Journal du CNRS sur le sujet :

https://lejournal.cnrs.fr/articles/en-a ... 1664965071

Savoir jusqu’à quelle précision le principe d’équivalence est vérifié permet à la fois de tester la relativité générale et de réduire l’espace des possibles pour les théories d’unification.

La précision de Microscope revient à détecter le poids d’une mouche qui se poserait sur un supertanker.

[Georges Leterme]

En début de ce fil j'ai avancé que la masse-pesante et la masse-inerte étaient une seule et même chose.
Vincent, tu m'as objecté à juste titre que j'exploitais une expérience de pensée et qu'il faut donc la vérifier expérimentalement.
Je t'ai répondu que c'était une expérience de pensée au début, il y a un bon siècle !
Depuis, ce qui a été imaginé se passant dans l'ascenseur a été vérifié dans des avions, fusées, etc.
Il est donc bel et bien établi que la masse d'un corps est en même temps sa masse-inerte par rapport au référentiel-ascenseur et sa masse-pesante par rapport au référentiel-"escalier", d'où la conclusion que les deux sont une seule et même chose.

Cette conclusion peut-elle être fausse ? Il faut croire que oui puisque d'éminents physiciens se préoccupent de le vérifier par de nouvelles expériences.
Il faut alors supposer que ces deux masses sont :
- soit de nature différente avec des valeurs différentes,
- soit de même nature avec deux valeurs possibles (un peu comme les isotopes…)
Dans les deux cas la Relativité générale plonge dans un mystère du même ordre que celui régnant en Physique quantique…
Mais pourquoi pas ? C'est possible…

J'ai tendance à croire que cette recherche est instiguée par les tenants de la théorie des cordes en manque de preuve de sa validité, compte-tenu que cette théorie prévoit que ces deux masses peuvent être différentes.

[Vincent Boudon]

Tout à fait.

Mais le principe d'équivalence est un principe. C'est-à-dire qu'il ne peut pas être démontré, juste vérifié par l'expérience. Celle de Microscope le vérifie avec une très grande précision.

Même un chose qui parait aussi évidente, vu qu'il ne s'agit que d'un principe, mérite d'être vérifiée expérimentalement;

Par ailleurs, on sait qu'on doit trouver une nouvelle théorie englobant relativité générale (gravitation) et physique quantique. Certains prototypes de théorie impliquent la violation du principe d'équivalence. Vérifier ce principe à autre précision permet donc d'éliminer ces théories ou, tout du moins, de fixer une limite à leur violation du principe d'équivalence;

[Mathilde Rama]

A proximité de la surface de la Terre, la géodésique d'un objet lâché au repos correspond à une trajectoire au cours de laquelle le corps est accéléré vers le bas, avec g=9,81 m.s^-2.

Selon l'hypothèse géodésique, c'est le chemin "naturel" que doit suivre un objet isolé, analogue à la géodésique en ligne droite que devrait "naturellement" suivre un objet dans l'espace profond (loin de tout objet gravitant).

Dans l'espace profond, pour accélérer un objet et l'écarter de la géodésique en ligne droite, il faut lui appliquer une force. De manière analogue, si je tiens un objet au repos près de la surface de la Terre, je dois exercer sur lui une force dirigée vers le haut, pour l'accélérer vers le haut avec l'accélération g=9,81 ms^-2 par rapport à la géodésique dirigée vers le bas qu'il tendrait naturellement à suivre.

L'intensité de cette force, selon la 2eme loi de Newton, vaut simplement mg où m désigne la masse inertielle. C'est précisément l'intensité de la force que nous exerçons vers le haut pour retenir l'objet. que nous mesurons lorsque nous "pesons" un objet.

En mécanique newtonienne, nous imaginons que cette force dirigée vers le haut est exactement compensée par une "force gravitationnelle" mg.g agissant sur l'objet, et on dit que la balance enregistre le poids de l'objet qui, après division par g, fournit la masse gravitationnelle mg.

Du point de vue de la relativité Générale, la seule force qui agit sur l'objet est celle dirigée vers le haut (puisqu'il faut exercer une force pour accélérer un objet et ainsi l'écarter de sa géodésique) et cette force à une intensité mIg. Ainsi, lorsqu'on croit mesurer la masse gravitationnelle d'un corps à l'aide d'une balance, ce qu'on mesure REELLEMENT, c'est sa résistance à l'accélération. Bien sûr que mG=mI