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La Relativité au Microscope

 

Puisque le Fêtes inclinent au repos, notre Page va parler de choses simples qui font partie de notre quotidien mais qui peuvent aussi nous proposer un détour par les mystères de l’Univers. C’est à la MASSE, cette propriété de la matière que nous allons nous intéresser. On est tous familiers de la masse, elle intervient souvent  dans les activités humaines. Nous savons parfaitement la prendre en compte quand elle crée un poids à soulever ou quand elle demande un effort pour pousser un meuble. L’homme a cherché très tôt à donner des explications aux origines de la masse et à ses propriétés. Mais le parcours n’est pas si aisé et encore aujourd’hui il comporte ses embûches et ses questions.

 

Résumé historique

On a longtemps confondu la masse avec le poids apparent. Puisque la fumée monte, elle n’a pas de masse  et la masse d’un corps plongé dans un liquide diminue. Aristote disait que plus la masse d’un corps est grande, plus il tombe vite. Ce n’est qu’avec Galilée, puis avec Newton que la notion de masse et les propriétés  afférentes  se sont précisées. On se souvient de l’image des boules de masses différentes lâchées du sommet de la tour de Pise mais plus pratiquement c’est avec un plan incliné que Galilée a fait ses mesures. Ensuite, Newton et ses successeurs utilisèrent des pendules à balancier ou à torsion pour étudier la masse des corps.

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Les deux facettes de la masse

Mais, revenons à Newton et à ses études sur la gravitation, ce phénomène qui est constaté et mesuré, mais dont les lois sont empiriques. La « quantité de matière » d’un corps quelle que soit sa nature s’exprime par  un facteur déterminant  dans les propriétés de la matière, il est appelé « Masse ». On sait par exemple que quand on double la quantité de matière, on double la masse.
Le principal  constat est que ce facteur masse intervient dans deux situations bien différentes.

  1. D’abord avec la force de gravitation qui s’exerce entre deux corps comme la Terre et la pomme de Newton, c’est la MASSE GRAVE dont on prend conscience quand on soulève un corps. Cela pèse !! Cette force F1 est proportionnelle à chacune des masses M et mg qui s’attirent et inversement proportionnelle au carré de leur distance d soit F1=G. M.mg / d². Sur terre, la masse M est celle de la Terre, la masse mg est celle de l’objet considéré.
  2. La « quantité de matière » va intervenir quand sur un sol plat et glissant comme un lac gelé, nous voulons déplacer un traineau lourdement chargé. Ici la gravitation est compensée, elle n’intervient pas. La masse du corps va résister à la mise en mouvement et ceci d’autant plus qu’elle est importante. On parle d’inertie et de MASSE INERTE.
    Newton dans sa deuxième loi dit : pour mettre en mouvement mi ( masse inerte), il faut lui appliquer la force F2 telle que F2 =a.mi  ,  a est l’accélération du mouvement.

Dans les 2 cas il s’agit de quantité de matière et  on parle de masse. Mais ces grandeurs sont de nature très différente  et rien ne permet de dire qu’elles ont les mêmes propriétés.

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Principe d’équivalence

Or, si dans le vide pour éviter les frottements, on lâche  2 objets de taille et de composition différentes, ils accélèrent de la même façon et arrivent en même temps : on se souvient de la plume et du marteau lâchés par l’astronaute David Scott sur la Lune. L’expérience montre alors que la masse inerte se comporte comme la masse grave, mais aucune explication théorique ne le prouve. C’est le postulat retenu par Newton.
(Si F1 = F2     on a  mi . a = mg  x  G M/d²   et   si  GM/d²= g  , alors  mi . a = mg .g Comme les corps ont la même accélération en chute libre a = g et  mi = mg )
Quand des principes fondamentaux sont basés sur l’expérience, les physiciens vont tenter de les mettre en défaut par des mesures de la plus grande précision possible. Le mieux qu’on ait obtenu jusqu’à présent confirme cette égalité au dix millième de milliardième près.(10-13).

Cela paraitrait  assez précis pour laisser Newton tranquille !

 

C’est la faute « à » Einstein

Tout a commencé avec la Relativité restreinte de Einstein et la formule bien connue E = m c² qui relie la masse à l’énergie.  La masse inertielle est proportionnelle à l’énergie du corps qui dépend de sa composition  et peut varier selon sa nature. La différence serait infime mais pourrait  exister à l’échelle moléculaire. La faille est là ! Dix millième de milliardième ne suffisent plus, cherchons plus loin.
Et, l’affaire s’est corsée quand Einstein a pris en compte la gravitation et a fixé l’Equivalence en principe pour passer à la Relativité générale.  Une bonne raison pour pousser la vérification.
C’est l’objectif que se sont fixé le CNES et l’ONERA en portant l’expérience de comparaison dans l’espace loin des perturbations terrestres. L’objectif est de gagner un facteur 100 dans la comparaison et d’arriver  à (10-15) le niveau nécessaire pour constater d’éventuelles différences.

 

Le satellite Microscope

Il fait partie des micro-satellites mais avec ses 300 kg, il est parmi les plus lourds de cette famille. Pour le reste du nom, il vient de (MICROSatellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence). Sa mission est de placer l’instrument de mesure dans les conditions les plus parfaites de la chute libre d’une masse, c’est-à-dire en éliminant- ou plutôt en compensant- les forces les plus infimes qui pourraient agir sur le corps.

Le véhicule spatial

Il emporte les servitudes habituelles qui permettent le fonctionnement d’un satellite (énergie, communication, gestion interne, etc ) avec une particularité importante. Des micro propulseurs à gaz froids compensent dans toutes les directions les perturbations qui pourraient écarter de la chute libre (Température, trainée, pression de radiation solaire, albédo terrestre…. ou  couples magnétiques).

Equipement de mesure T-Sage

L’instrument de l’ONERA est  appelé T-Sage (Twin-Space Accelerometer for Gravity Experiment). Il s'agit de deux cylindres concentriques, l'un en titane, l'autre en alliage de platine et de rhodium. Comme un astronaute dans l’ISS, ces deux masses seront en chute libre,  la force centrifuge équilibrant la gravité. Elles « flotteront » à l’intérieur de Microscope  maintenues concentriques par  un champ électrostatique. Leur position relative sera mesurée par des détecteurs capacitifs ultra précis, capables de détecter un changement de position de l'ordre d'un dix millionième de millimètre. Précision unique au monde. Cette chute libre est prévue pour durer dix-huit mois à deux  ans  et doit faire progresser notablement la vérification du principe d’équivalence.

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Déroulement des opérations

Microscope a été lancé le 26 avril 2016 par un lanceur Soyouz depuis Kourou. La mise en condition parfaite pour des mesures aussi précises est assez longue. Après le lancement et la mise en service du satellite, une longue préparation est nécessaire pour rendre opérationnelle l’instrument scientifique. Tous ces tests ont été satisfaisants et les mesures peuvent commencer.
En mi-2017, une communication du CNES donnera quelques informations sur le déroulement des mesures. C’est en 2018, après au moins 18 mois de « chute » que seront publiés les premiers résultats.

Un retour à la voile

Il est une autre particularité intéressante de Microscope.  A la fin de sa mission, vers 2019, il sera inactif sur une orbite polaire à 700km. A cette altitude, cet engin inutile mettra 75 ans avant de se consumer dans l’atmosphère. Pour limiter ce long séjour, Microscope emporte un jeu de mats gonflables et de voiles légères qui le freineront et provoqueront la chute en 25 ans, divisant  par 3 ce long encombrement de l’espace.

 

La conclusion

Les mystères du cosmos se sont éclaircis par lentes étapes depuis des milliers d’années. La prévision de plus en plus précise du mouvement des astres en a marqué les progrès. Dans notre civilisation occidentale, longtemps Aristote a été la référence complétée par Ptolémée, puis amendée par Copernic  et dotée des premières lois physiques par Kepler. Il a ensuite fallu le développement de l’optique  et les premières observations de Galilée pour entrer, non sans peine, dans l’ère moderne. Tout s’éclaircit  avec Isaac NEWTON  en 1687. L’espace prend la forme que nous connaissons et la gravitation cette force inexpliquée  en fixe les principes et les lois qui pendant 2 siècles vont orienter  la recherche et déboucher sur nos connaissances spatiales.

Le Principe d’Equivalence  est un de ces postulats. Il est largement validé pour ce qui concerne les applications de la physique newtonienne mais sa remise en question par Einstein  à l’échelle atomique soulève  un problème de plus dans la théorie de la Relativité générale. S’il est infirmé, cela débouchera sur de nouvelles réflexions, de nouvelles recherches, de nouvelles théories……. !

La science avance et bien d’autres théories  sont à venir.   Comme l’a dit Isaac  Newton :

« I seem to have been only like a boy… finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary whilst the great ocean of truth lay all undiscovered. » Il reste beaucoup  d’autres beaux galets et brillants coquillages à découvrir.

Bonne Année 2017 !

 

 

Impressionnantes performances

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Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/