Masses millimétriques: les boffins de physique mesurent le plus petit champ gravitationnel connu (à ce jour)

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  • Il n’est peut-être pas arrivé aux premiers humains de transporter des roches à l’âge de pierre que la gravité soit une force relativement faible, mais c’est le cas.

    Tout au long de leur évolution, les humains se sont habitués à vivre à la surface d’une balle d’une masse d’environ 6 × 1024 kg, et notre planète étant de cette taille fait de la gravité sur Terre une véritable expérience viscérale pour ces bipèdes sensibles.

    Avance rapide de quelques millénaires, et nous connaissons maintenant la gravité comme l’affaiblissement des forces fondamentales, qui comprennent également les interactions nucléaires faibles et fortes et la force électromagnétique. La gravité est, par exemple, environ 36 ordres de grandeur plus faible que la force électromagnétique.

    La mesure des forces gravitationnelles entre des objets de taille inférieure à la planète a toujours été délicate et limitée à quelques kilogrammes, mais les recherches publiées dans Nature montrent qu’elle peut être réalisée entre deux sphères d’or d’une masse d’environ 90 milligrammes et d’un rayon de 1 mm. C’est à peu près la masse d’une abeille ouvrière de taille moyenne (bien que son corps prenne beaucoup plus de place avec une longueur d’environ 15 mm).

    Une équipe dirigée par Markus Aspelmeyer, professeur de physique à l’Université de Vienne, a utilisé une balance de torsion pour obtenir le résultat. L’approche a utilisé l’action de torsion sur un fil ou un fil pour mesurer les forces perpendiculaires à la force gravitationnelle de la Terre. La technique n’est pas nouvelle: Henry Cavendish l’a utilisée pour la première fois en 1798 pour mesurer la densité de la Terre et c’est le moyen standard de mesurer la constante gravitationnelle, G – nécessaire pour prédire les forces gravitationnelles entre les objets selon les lois de Newton.

    Le laboratoire d’Aspelmeyer a utilisé une version miniaturisée de l’appareil pour mesurer les minuscules forces gravitationnelles et, ce faisant, l’équipe a dû bloquer les forces électrostatiques à l’aide d’un bouclier de Faraday et les effets sismiques et acoustiques en connectant l’une des sphères d’or à une chambre à vide.

    Pendant ce temps, l’autre sphère a été rapprochée de plus en plus de la sphère ancrée dans un mouvement régulier. La prévisibilité des changements résultants de la force gravitationnelle a permis d’annuler tout bruit interférant (voir l’article pour une explication plus détaillée).

    Les expérimentateurs ont réussi à mesurer une force d’environ 9 × 10–14 newtons entre les deux sphères. C’est à peu près le même poids agissant sur une masse de 9 picogrammes sur Terre; 9 picogrammes représentent environ un tiers de la masse d’un globule rouge humain.

    «Ce travail ouvre la voie à la frontière inexplorée des masses de sources microscopiques, ce qui permettra des études d’interactions fondamentales et fournira un chemin vers l’exploration de la nature quantique de la gravité», ont déclaré les auteurs.

    Dans un article d’accompagnement, Christian Rothleitner, associé de recherche à la Physikalisch-Technische Bundesanstalt en Allemagne, a déclaré que le résultat était significatif en tant qu’exploit d’ingéniosité expérimentale et qui montre que la loi de la gravité de Newton, vieille de 334 ans, tient bien à cette échelle .

    “L’expérience est … la première à montrer que la loi de gravité de Newton est valable même pour des masses sources aussi petites que celles-ci”, a déclaré Rothleitner.

    Les lois de Newton ont été considérablement élargies par la compréhension tirée de la théorie générale de la relativité d’Einstein – une théorie géométrique de la gravitation – en termes d’explication de la gravité.

    Mais même cela a ses problèmes. Rothleitner a déclaré que les physiciens étaient déconcertés par l’incapacité de la relativité à expliquer pourquoi la vitesse observée des étoiles se déplaçant autour des galaxies est plus rapide que prévu, ce qui a incité l’idée de la matière noire, une mystérieuse substance génératrice de gravité. «Cependant, personne ne sait vraiment de quoi est faite cette matière noire», a-t-il souligné.

    Dans le même temps, les mesures de la constante gravitationnelle G ne sont pas parvenues à être plus précises au fil du temps, contrairement à d’autres constantes universelles telles que la vitesse de la lumière.

    Pendant ce temps, la relativité ne dit pas comment la gravité se comporte au niveau infime et subatomique de la mécanique quantique, ce que la théorie des cordes a tenté d’expliquer.

    Rothleitner a déclaré que les méthodes proposées par Aspelmeyer et son équipe étant affinées au fil du temps, cela pourrait aider les physiciens à s’attaquer à ce dernier problème. ®

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