Une équipe de physiciens autrichiens a mesuré la force gravitationnelle entre deux sphères d’or de 1,07 millimètre de rayon.
Photographie du pendule de torsion et de la masse source montée. Crédit image : Westphal et al., doi : 10.1038/s41586-021-03250-7.
La gravité est la plus faible de toutes les forces fondamentales connues et pose certaines des questions ouvertes les plus importantes de la physique moderne : elle résiste à l’unification au sein du modèle standard de la physique et ses concepts sous-jacents semblent être fondamentalement déconnectés de la théorie quantique.
Tester la gravité à toutes les échelles est donc un effort expérimental important. Jusqu’à présent, ces tests ont principalement porté sur des masses macroscopiques à l’échelle du kilogramme et au-delà.
“À l’époque d’Isaac Newton, on pensait que la gravité était réservée aux objets astronomiques tels que les planètes”, explique Jeremias Pfaff, de la faculté de physique de l’université de Vienne, et ses collègues.
“Ce n’est qu’avec les travaux de Cavendish – et de Nevil Maskelyne avant lui – qu’il a été possible de montrer que les objets sur Terre génèrent également leur propre gravité.”
“En utilisant un élégant dispositif de pendule, Cavendish a réussi à mesurer la force gravitationnelle générée par une boule de plomb de 30 cm de haut et pesant 160 kg en 1797.”
“Un pendule dit de torsion – deux masses aux extrémités d’une tige suspendue à un fil fin et libre de tourner – est dévié de façon mesurable par la force gravitationnelle de la masse de plomb.”
“Au cours des siècles suivants, ces expériences ont été perfectionnées pour mesurer les forces gravitationnelles avec une précision croissante.”
Dans la version miniature de l’expérience de Cavendish réalisée par l’équipe, la source gravitationnelle est une masse d’or presque sphérique d’un rayon de 1,07 mm et d’une masse de 92,1 mg. Une sphère en or de taille similaire sert de masse d’essai de 90,7 mg.
L’idée est qu’une modulation périodique de la position de la masse source génère un potentiel gravitationnel dépendant du temps à l’emplacement de la masse test, dont l’accélération est mesurée dans une configuration de pendule de torsion miniature.
L’expérience est réalisée sous vide poussé, ce qui minimise le bruit résiduel provenant du couplage acoustique et du transfert de momentum des molécules de gaz.
“Nous déplaçons la sphère d’or d’avant en arrière, créant ainsi un champ gravitationnel qui change avec le temps”, a déclaré le Dr Pfaff.
“Cela fait osciller le pendule de torsion à cette fréquence d’excitation particulière”.
“Le plus grand effet non gravitationnel dans notre expérience provient des vibrations sismiques générées par les piétons et le trafic des tramways autour de notre laboratoire à Vienne”, a ajouté le Dr Hans Hepach, chercheur à l’Institut d’optique quantique et d’information quantique (IQOQI) de Vienne à l’Académie autrichienne des sciences.
“Nous avons donc obtenu les meilleures données de mesure la nuit et pendant les vacances de Noël, lorsqu’il y avait peu de trafic.”
Les travaux de l’équipe, publiés dans la revue Natureouvre la voie à la frontière inexplorée des masses sources microscopiques, qui permettra d’étudier les interactions fondamentales et d’explorer la nature quantique de la gravité.
