Un test sérieux pour la relativité générale

La théorie de la relativité générale est globalement acceptée depuis 1919, année où on a observé que la lumière passant à proximité du soleil était faiblement déviée par celui-ci.  Cela prouvait que nous vivons dans un espace-temps courbe.  Toutefois, d'autres aspects de la théorie de la relativité générale n'ont jamais été vérifiés.  C'est le cas de l'entraînement des repères (frame-dragging), dont l'existence pourrait être vérifiée en octobre 2000.

En 1918, Josef Lense et Hans Thirring, deux physiciens autrichiens, ont calculé que, selon la théorie d'Einstein, un corps massif en rotation dans l'espace entraînerait l'espace-temps dans son mouvement.  Schématiquement, c'est comme si la Terre était immergée dans de la mélasse.  Son mouvement de rotation entraînerait la mélasse avec elle, et cet effet serait de moins en moins important en s'éloignant de la Terre.  C'est en 1959 que les physiciens Leonard Schiff et William Fairbank ont eu l'idée de vérifier cet effet.  Un an plus tard, avec l'ingénieur Robert Cannon, ils inauguraient le projet Stanford Gyroscope Experiment qui consistait à envoyer un gyroscope dans l'espace afin de vérifier l'entraînement des repères que la Terre devrait exercer.  Ce projet, dorénavant appelé le Gravity Probe B, est maintenant financé par la NASA et l'Université de Stanford depuis près de 40 ans pour une somme de plus d'un demi-milliard de dollars américains.

Le Gravity Probe B Courtoisie de l'Université Stranford de Californie, aux États-Unis

Un gyroscope est un disque ou, dans ce cas-ci, une sphère qui tourne sur un axe.  Une fois en rotation, l'axe continuera toujours à pointer dans la même direction si aucune autre force ne vient altérer son mouvement.  Au départ, Schiff et Fairbank voulaient placer un tel objet dans l'espace et aligner son axe de rotation avec une étoile distante.  Si l'entraînement des repères existe vraiment, l'axe du gyroscope s'éloignerait lentement de l'étoile, car il serait entraîné par le mouvement de la Terre, comme s'il baignait dans la mélasse de l'exemple antérieur.  Cependant, cela prendrait un gyroscope frisant la perfection dans un environnement dépourvu de perturbations pour observer cet effet minime.  (L'orientation de l'axe devrait varier de sept dix-millièmes de degrés en un an.  Cela équivaut à l'épaisseur d'un cheveu perçu d'une distance de près d'un demi-kilomètre!)

Le projet s'est développé au fil des années et les pièces du casse-tête sont maintenant en place : quatre gyroscopes, à 50 couches atomiques près d'être des sphères parfaites, seront envoyés dans l'espace.  Si la Terre était aussi sphérique que ces gyroscopes, la plus haute montagne serait de vingt pieds supérieure au canyon le plus profond.  Un télescope sera aussi envoyé, et ce dernier fixera l'étoile pointée au départ par les axes du gyroscope.  Cela permettra de mesurer l'angle de déviation des axes après un certain temps (le temps prévu est 20 mois).  Quatre rotors vont démarrer la rotation des gyroscopes à 10 000 tours par minute et ces derniers continueront de tourner durant les 20 mois sans significativement perdre leur vitesse.  Afin de déterminer l'orientation de l'axe de rotation des quatre sphères parfaites, ce qui est loin d'être évident puisqu'on ne peut pas marquer les sphères sans les rendre imparfaites, on les a couvertes d'une couche de niobium, un supraconducteur.  Ainsi, en refroidissant les gyroscopes à deux degrés au-dessus du zéro absolu, l'effet London1 permettra de connaître précisément la direction des axes de rotation.  Atteindre une température si basse durant une si longue période de temps requerra environ 2 300 litres d'hélium liquide dans un Thermos géant.  Enfin, pour éviter que le champ magnétique terrestre et que les vents solaires perturbent l'expérience, le tout sera scellé sous vide, dans un sac de plomb refroidi de sorte que le plomb devienne aussi supraconducteur (les champs magnétiques ne peuvent pas traverser un supraconducteur).

Un des quatre gyroscopes et les deux électrodes qui vont le maintenir en place dans l'espace Courtoisie de l'Université Stranford de Californie, aux États-Unis

Ce projet d'envergure est donc sur le point d'être réalisé après 40 ans de planification et de travail ardu.  Nous serons donc bientôt en mesure de vérifier pour la première fois un aspect, qui aujourd'hui ne s'avère que purement théorique, de la relativité générale : l'entraînement des repères.  Cela pourrait raffermir les bases de la théorie d'Einstein, ou encore, qui sait, peut-être causer son écroulement.

Vincent Farley j

1 L'effet London, c'est une propriété qu'ont les supraconducteurs à créer un champ magnétique lorsqu'ils sont en rotation.  L'axe nord-sud de ce champ est parfaitement aligné avec l'axe de rotation du supraconducteur.  On peut donc connaître avec précision l'axe de rotation en déterminant l'axe nord-sud du champ magnétique.

Mise en page par Gilbert Vachon

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