Tobias Westphal / Université de Vienne
La gravité peut sembler être l’une des forces les plus familières, mais c’est en fait parmi celles que nous ne comprenons pas très souvent. Nous savons que le modèle gravitationnel actuel est incompatible avec la mécanique quantique. Il ne parvient pas non plus à expliquer le phénomène que nous avons appelé matière noire et énergie noire. Malheureusement, étudier la gravité est très difficile car c’est la plus faible des forces. Pour contourner ce problème de détection des ondes gravitationnelles, nous avons dû construire deux observatoires massifs, suffisamment éloignés l’un de l’autre pour que le bruit affectant l’un ne soit pas capté dans l’autre.
Les ondes gravitationnelles que nous détectons proviennent d’objets massifs comme les étoiles à neutrons et les trous noirs. Maintenant, des chercheurs de Vienne ont annoncé des progrès dans la découverte de la force gravitationnelle produite par de petits objets – dans ce cas, des boules d’or de seulement 2 millimètres de large et pesant moins d’un dixième de gramme. Leurs travaux fournissent la première mesure de l’attractivité à ces échelles, et les chercheurs sont à peu près sûrs de pouvoir devenir plus petits.
C’est très bruyant
Le travail en question comprend un dispositif assez typique pour ces types d’expériences. Il comprend une tige en acier avec une boule d’or attachée à chaque extrémité. Le ruban est suspendu en son point central, ce qui lui permet de tourner librement autour du plan horizontal. Il y a aussi un miroir placé en son centre, qui sert à réfléchir le laser.
Si un bloc s’approche de l’une des boules d’or, il exercera une force de gravité qui attirera la balle vers elle. La rotation qui en résulte fera tourner le miroir avec lui, changeant là où le laser se reflète. Cela crée une échelle très sensible de l’attraction gravitationnelle de la masse. Ou ce sera le cas si le bruit ambiant ne couvre pas tout.
Le catalogue des sources de bruit dont les auteurs doivent tenir compte est époustouflant. Tout d’abord, les chercheurs estiment que la force de gravité qu’ils tentent de mesurer pourrait également être produite par une personne marchant à 3 mètres du dispositif expérimental ou du tramway de Vienne à 50 mètres de celui-ci. Enfin, ils ont mené l’expérience de nuit pendant la pause hivernale pour réduire les sources parasites d’interférence gravitationnelle, ce qui a eu pour effet supplémentaire de réduire le bruit sismique local.
L’expérience entière a été réalisée à l’intérieur d’un vide, et ils ont trouvé des pieds en caoutchouc qui restent mous dans le vide pour ramollir la structure qui maintient la tige métallique suspendue.
Avant de tirer le vide dans l’expérience, les chercheurs ont aspergé l’appareil d’azote ionisé pour éliminer toutes les charges parasites. Dans le cas où cela se produirait, ils ont placé un bouclier de Faraday entre deux boules d’or pour éviter toute attraction électrostatique.
Bien que tout cela maintienne le bruit de l’expérience extrêmement bas, le signal de tiraillement entre deux sphères d’or de 90 milligrammes serait également extrêmement faible. Ainsi, au lieu de simplement mesurer la tension, les chercheurs ont déplacé la balle selon un schéma régulier et ont créé une attraction résonnante constante d’avant en arrière. La fréquence de cette résonance a été soigneusement choisie pour être très différente de la résonance normale du pendule formé par la bande.
Petites puissances
L’ensemble du comportement de l’installation est surveillé par une caméra vidéo surveillant en permanence la position des deux champs dorés. Au cours de l’expérience, la séparation variait de 2,5 mm à 5,8 mm. Dans l’ensemble, les chercheurs estiment que leur système est capable d’accélérer aussi peu que 2 x 10-11 Mètres / seconde2, Bien qu’il faudra environ une demi-journée de surveillance pour ce faire.
En général, la force de gravité ici était d’environ 9 x 10-14 Newton. Les chercheurs ont également utilisé leurs résultats pour dériver la constante gravitationnelle. Bien que cela se termine à peu près (9%), cela reste dans les incertitudes de la mesure empirique.
Le résultat est une réalisation technique impressionnante. Mais les chercheurs pensent que 90 mg se trouve en fait sur le côté lourd des choses qui peuvent être mesurées de cette façon. Et à mesure que les choses deviennent plus légères, il y a des choses terriblement étranges qui peuvent être testées.
Par exemple, comme mentionné ci-dessus, notre théorie de la gravité est incompatible avec la mécanique quantique. Mais nous avons réussi à faire en sorte que des systèmes plus grands se comportent comme des êtres quantiques. Si l’on obtient ces mesures suffisamment sensibles, il peut être possible de mesurer la gravité d’un objet qui se trouve dans une superposition quantique entre deux sites. En d’autres termes, il n’y a aucun moyen de savoir où il se trouve exactement, alors que la force de gravité qu’il exerce en même temps dépend de son emplacement.
D’autres tests potentiels incluent certaines variantes de la théorie des cordes, la dynamique newtonienne modifiée (MOND, une alternative hypothétique et impopulaire à la matière noire), et quelques explications de l’énergie noire. Mais tout cela dépendra entièrement de cette configuration expérimentale fonctionnant sur des masses beaucoup plus petites que l’échelle du milligramme. Donc, dans un premier temps, il sera important pour les chercheurs derrière ce travail de montrer qu’ils ont au moins une certaine capacité promise pour le réduire.
Nature, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-03250-7 (À propos des DOI).
