Les physiciens mesurent la plus petite force gravitationnelle jamais réalisée

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La gravité à l’échelle quantique est depuis longtemps un mystère pour la physique, mais les choses pourraient commencer à changer. Les physiciens ont mesuré le plus petit champ gravitationnel jamais enregistré, dans une expérience qui pourrait aider à la recherche d’une théorie unifiée de la physique.

Traduction de l’article Physicists measure the tiniest gravitational force ever paru sur le site livescience.com

Des quatre forces fondamentales connues de la physique – les interactions faibles et fortes, la force électromagnétique et la force gravitationnelle – seule la gravité reste non intégrée dans la physique appelé le modèle standard, qui décrit le comportement du “zoo de particules subatomiques”. La gravité est plutôt décrite par la théorie générale de la relativité d’Einstein , mais comme cela se décompose à l’échelle quantique, notre meilleure image de l’univers est divisée en deux. En conséquence, la physique ne peut toujours pas décrire comment la gravité fonctionne à des échelles subatomiques, laissant les physiciens se gratter la tête quand il s’agit de comprendre les singularités qui se trouvent dans les centres des trous noirs, ou pourquoi la gravité est tellement plus faible en force que tous les autres. Les autres forces.Mais une nouvelle expérience qui mesurait l’attraction gravitationnelle minuscule entre deux minuscules sphères d’or, chacune ne dépassant que 2 millimètres de diamètre, pourrait être la première d’une longue série à fournir des indices sur le fonctionnement de la gravité à ces échelles.

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Deux minuscules sphères d’or répondent à l’attraction gravitationnelle de l’autre. (Crédit d’image: Tobias Westphal / Université de Vienne)

« Il s’agissait d’une expérience de validation de principe visant à créer un capteur capable de mesurer de très petites accélérations et d’établir des méthodes qui nous permettraient de détecter des forces gravitationnelles encore plus petites », a déclaré Jeremias Pfaff, co-auteur de l’étude, doctorant à l’Université de Vienne, a déclaré Live Science. « À long terme, nous aimerions répondre à quoi ressemble le champ gravitationnel d’un objet quantique dans une superposition, mais il y a beaucoup à faire sur le chemin », se référant à la gravité ressentie par un subatomique. Particule qui est dans deux états quantiques à la fois.

Pour avoir un aperçu du fonctionnement de la gravité à petite échelle, les chercheurs ont utilisé une version minuscule d’un balancier de torsion – un appareil conçu pour la première fois par le scientifique anglais Henry Cavendish en 1798 pour mesurer la densité de la Terre et, à partir de là, la force de la gravitation. constante appelée G.

Une balance de torsion est une barre horizontale suspendue à son centre par un fil avec deux masses, dans ce cas des sphères d’or, attachées à chaque extrémité. Cela signifie que si une petite force est appliquée le long de l’axe horizontal de la barre, le fil se tordra et les scientifiques peuvent mesurer la force appliquée en fonction de la rotation de la barre. En rapprochant une troisième sphère d’or de l’une de celles attachées à l’extrémité de la barre, les chercheurs ont pu mesurer la force de gravité entre celle-ci et la sphère attachée. 

La force recherchée par les chercheurs était minime. À environ 9 × 10 ^ moins 14 newtons, ce serait la force qu’un tiers d’une cellule sanguine humaine ressentirait dans le champ gravitationnel de la Terre. L’expérience devait donc être incroyablement sensible et les chercheurs devaient minimiser l’exposition au bruit extérieur, s’assurer qu’aucune charge parasite ne s’accumulait sur l’appareil et trouver un moyen de repérer le signal souhaité. « L’environnement urbain est également loin d’être idéal », a déclaré Pfaff. « C’était stupéfiant de voir que nous ne sommes pas seulement sensibles aux petits tremblements de terre, mais aussi au tramway local et aux bus simples. Nous avons même pu voir le marathon de la ville de Vienne dans nos données. »

Ils se sont débarrassés de toute charge parasite en inondant la zone entourant l’appareil d’azote ionisé avant de le placer sous vide. Ils ont également fait ressortir le minuscule signal gravitationnel qu’ils recherchaient en rapprochant de plus en plus les deux sphères l’une de l’autre de plus en plus lentement. 

De la même manière qu’une lumière clignotante est plus perceptible qu’une lumière constante, la force gravitationnelle croissante et décroissante entre les sphères était beaucoup plus facile à détecter que si elles étaient stationnaires. Cela a permis aux chercheurs de trouver la force de la force gravitationnelle entre les deux sphères, et également de trouver leur propre mesure de la constante gravitationnelle

Jusqu’à présent, à l’échelle qu’ils mesuraient, la gravité suivait les mêmes règles prévisibles qu’à des échelles plus grandes. Les physiciens espèrent maintenant rendre leur expérience encore plus sensible afin de pouvoir capter des signaux plus petits provenant de masses au moins 1 000 fois plus légères et à des distances plus courtes. Cela pourrait fournir des indices importants sur une théorie qui explique la gravité à petite et grande échelle, ainsi que des aperçus d’autres mystères comme l’existence de la matière noire, une forme mystérieuse de matière qui n’émet aucune lumière mais qui exerce une attraction gravitationnelle.

À des échelles plus petites, les chercheurs pourraient commencer à détecter de toutes nouvelles façons dont la matière interagit par gravité – des façons qui suivent les règles beaucoup plus bizarres du monde quantique. S’ils le font, la physique pourrait enfin commencer à combler le fossé entre nos grandes et petites images de l’univers.«Élargir nos connaissances sur cette force insaisissable pourrait nous aider à recueillir des indices pour trouver une compréhension plus fondamentale de notre réalité physique», a déclaré Pfaff.

Publié à l’origine sur Live Science.

Pour en savoir plus sur la gravité quantique

La relativité d’Einstein et la mécanique quantique sont deux théories physiques pour le moment incompatibles. Une des voies de recherche pour les réconcilier consiste à abandonner la notion de temps, au moins telle que nous la connaissons. Il devient alors possible de décrire le monde sans le temps.

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Rencontre avec Carlo Rovelli, astrophysicien au centre de physique théorique de Luminy, professeur à l’Université de la Méditerranée, membre de l’Institut de France, co-inventeur avec Lee Smolin de la théorie de la gravité à boucles quantiques.

Cette conférence fait partie du cycle “Le temps existe-t-il ?” donné à la Cité des sciences et de l’industrie en avril 2014. Crédits : EPPDCSI – 2014

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