La science n’aime rien tant que de trouver de nouvelles façons de frapper encore plus fort des théories bien testées et de voir si on ne peut pas les faire saigner un peu.
Prenons l’exemple de la dilatation du temps, l’idée que le temps dépend de la vitesse relative et de l’attraction de la gravité. Si cette théorie a été testée à l’aide d’horloges atomiques au césium très précises, les physiciens l’ont maintenant mise à l’épreuve à l’aide d’horloges atomiques au strontium encore plus précises, et ils ont constaté qu’Einstein restait victorieux.
Des chercheurs de l’Observatoire de Paris, en France, ont installé un certain nombre d’horloges atomiques au strontium de dernière génération dans toute l’Europe afin de vérifier si leurs vitesses différentes au cours de la rotation de la Terre influent sur leurs temps relatifs, comme le prévoit la relativité restreinte d’Einstein.
Étant donné le nombre de fois où cette théorie a été testée, il est peu probable que quiconque s’attende à une réfutation radicale de la relativité restreinte d’un seul coup ; cependant, même un léger contraste à un niveau minuscule pourrait fournir aux physiciens des indices sur la façon dont les théories puissantes mais incompatibles de la relativité générale et de la mécanique quantique peuvent être mariées ensemble.
Pour toute personne un peu perdue, les physiciens utilisent la relativité générale pour prédire le comportement d’objets massifs comme les galaxies et les étoiles, et la mécanique quantique pour prédire l’interaction de très petites particules.
Les deux sont incroyablement précises, mais curieusement, les deux idées ne vont pas bien ensemble.
Mais lorsqu’il s’agit d’objets massifs et d’échelles minuscules, comme ce qui se passe à l’intérieur des trous noirs, la physique devient étrange et même les mathématiques bien testées s’effondrent.
En termes très simples, la relativité générale traite principalement de la gravité et de l’espace, tandis que sa cousine, la relativité restreinte, traite du temps et de l’espace.
La partie “relativité” de ces théories décrit comment les règles de l’Univers apparaissent à des personnes situées dans des temps et des espaces différents.
Selon une règle de relativité appelée invariance de Lorentz, toutes les lois physiques seront les mêmes, que vous soyez en mouvement, immobile, au milieu d’une ville ou flottant dans l’espace.
Malheureusement, il y a un petit problème : le même ensemble de règles stipule que la lumière a une politique de “vitesse unique “.
Si la lumière ne peut aller qu’à une seule vitesse dans le vide, deux personnes se déplaçant à des vitesses différentes ou affectées par la déformation gravitationnelle de l’espace-temps devront se mettre d’accord sur cette vitesse.
Cela signifie qu’elles devront toutes deux convenir que la lumière semble se déplacer à environ 300 millions de mètres par seconde (ou un peu moins d’un milliard de pieds par seconde), mais que leur perspective sur le temps de l’autre est plutôt ralentie.
Cette étrange petite bizarrerie de la physique appelée dilatation du temps a été mesurée à main tes reprises, nous obligeant même à en tenir compte dans les mathématiques de nos satellites GPS.
Pour mesurer les différences subtiles dans la façon dont le temps semble ralentir en fonction de la vitesse à laquelle vous semblez vous déplacer, vous avez besoin d’une horloge qui tique avec une extrême précision.
Cette expérience a utilisé quatre horloges à réseau optique basées sur le “tic-tac” de quelques milliers d’atomes de strontium, qui sont baignés dans la lumière d’un laser extrêmement stable de telle sorte qu’ils sont obligés de changer de niveau d’énergie environ 430 billions de fois par seconde.
Les horloges sont si stables qu’elles ne perdent ni ne gagnent une seconde sur 15 milliards d’années, ce qui les rend trois fois plus précises que les horloges à atomes de césium de la génération précédente.
Deux des horloges au strontium ont été installées à l’Observatoire de Paris, une à Braunschweig en Allemagne et une quatrième à Teddington au Royaume-Uni. Toutes ont ensuite été reliées par des fibres optiques, qui ont transporté le laser permettant de mettre les atomes en marche.
Comme elles se trouvent à des latitudes différentes sur le globe, les trois villes se déplacent à des vitesses différentes lorsque le globe tourne, ce qui devrait techniquement signifier que le temps semble s’écouler différemment du point de vue de l’une ou l’autre des villes.
En coordonnant les horloges sur une certaine distance à l’aide du même laser, l’équipe a pu détecter avec précision toute variation de leur fréquence, ce qui leur a permis de savoir quelles horloges tiraient un peu plus vite ou plus lentement que les autres.
Grâce à ces mesures, les chercheurs ont calculé qu’un paramètre appelé “alpha” était inférieur à 0,0000001 – suffisamment proche du zéro nécessaire pour conclure que la variation de Lorentz était toujours intacte.
Les recherches sont actuellement en attente d’examen sur le site de prépublication arXiv.org, mais si les résultats ne sont pas radicalement nouveaux, ils sont à prendre avec des pincettes tant qu’ils n’ont pas été examinés par des pairs.
Mais que se passerait-il si ce nombre était suffisamment important pour affirmer que la variation de Lorentz a été violée ?
“La conséquence immédiate serait que personne n’y croirait”, a déclaré la physicienne théorique Sabine Hossenfelder, qui n’a pas participé aux recherches, à Anil Ananthaswamy du New Scientist.
“La quantification de la gravité, [la nature de] l’énergie noire – ce sont trois grandes questions pour lesquelles les violations de l’invariance de Lorentz constitueraient un indice extrêmement important quant à la nature de la théorie sous-jacente”, la matière noire, a déclaré Hossenfelder.
Il semble que, tous les deux jours, les travaux d’Einstein soient testés, soit à petite échelle avec les horloges atomiques, soit à l’échelle massive des galaxies lointaines.
Ce n’est pas que les gens ne lui font pas confiance, mais plutôt qu’avec des découvertes aussi alléchantes et étranges que la matière noire, ou que deux de nos meilleures idées en physique sont inconciliables, on espère qu’il y a une certaine marge de manœuvre à un certain niveau.
Pour l’instant, il n’y a aucun signe d’une marge de manœuvre, même minime, pour que la relativité soit suffisamment fausse pour faire place à la mécanique quantique.
Peut-être devrons-nous simplement donner un coup de pied à cette théorie un peu plus fort la prochaine fois.