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La politique spatiale française: bilan et perspectives

 

VI. PHYSIQUE FONDAMENTALE

Dans l'Univers, la matière s'est progressivement organisée en une hiérarchie de structures emboîtées les unes dans les autres sur plus de quarante ordres de grandeur, du domaine de "l'infiniment petit" à celui de "l'infiniment grand", depuis les particules élémentaires jusqu'aux amas et super amas de galaxies. Ces structures sont régies par des interactions qui sont les forces à l'origine de leur formation, de leur cohésion ou les forces qui les relient à d'autres structures (de même niveau ou de niveau inférieur ou supérieur).

A notre échelle, celle de la Terre, un très grand nombre d'interactions se manifestent pour organiser des structures complexes (en particulier, celles qui caractérisent le vivant).

Aux échelles extrêmes, infiniment petites ou infiniment grandes, on peut espérer en revanche une certaine simplification au niveau des interactions, car les structures ne participent alors qu'à un petit nombre d'interactions différentes qui sont qualifiées de fondamentales :

- le comportement de l'infiniment petit est gouverné par trois interactions fondamentales qui sont les interactions électromagnétique, nucléaire forte et nucléaire faible ;

- celui de l'Univers à très grande échelle est gouverné par une seule interaction, la gravitation.

La gravitation, faible à notre échelle ou aux échelles pouvant être explorées expérimentalement (dans les grands accélérateurs de particules), redevient importante voire dominante lorsque l'on remonte aux sources de l'Univers quand celui-ci était le siège des interactions fondamentales auxquelles participaient ses constituants, les particules élémentaires. La cosmologie nous donne une représentation de l'Univers en évolution depuis la phase primordiale où toutes les interactions et particules étaient unifiées jusqu'à l'état actuel, en passant par toute une série de transitions de phases pour différentes énergies décroissantes, où la température diminue, les interactions se différencient, les symétries se brisent, les structures se forment et de nouveaux états de la matière émergent progressivement.

Cette unification des quatre interactions fondamentales devient l'enjeu déterminant de la physique actuelle. La Physique relativiste et la Physique quantique fournissent le cadre de la physique contemporaine dans lequel les relations entre la matière, l'espace et le temps ont été repensées de façon radicale. Les trois interactions fondamentales, électromagnétique, nucléaire faible et nucléaire forte, sont décrites de façon quantitative et prédictive par le Modèle Standard de la physique des particules qui est un modèle quantique. La gravitation, elle, est décrite par la Relativité générale (ou d'autres théories relativistes) qui est un modèle classique, continu. La théorie de la Relativité générale est basée sur la généralisation du principe de relativité aux mouvements accélérés quelconques et sur le principe d'équivalence entre la masse pesante et la masse inerte (équivalence entre un champ de gravitation homogène et un mouvement uniformément accéléré).

Les physiciens ne peuvent cependant se satisfaire de deux théories fondamentalement distinctes, Physique quantique et Relativité générale, bien que chacune soit en accord avec toute la physique connue dans son domaine respectif. Ils cherchent à élaborer des théories d'unification pour parvenir à quantifier le champ gravitationnel. Deux voies sont possibles, soit en partant d'une théorie classique relativiste des champs et en la quantifiant, soit en partant de la mécanique quantique, gouvernée par l'équation de Schrödinger, et en la rendant relativiste. Ces théories prédisent l'existence de nouvelles particules et de nouvelles interactions ou de nouvelles symétries.

Cette frontière entre les domaines traditionnellement réservés à la Physique quantique et à la Relativité générale est l'objet de recherches fascinantes. Récemment (dans les années 1980 avec les expériences dites de "cinquième force"), de nouvelles explorations expérimentales ont cherché à mettre en évidence des forces très faibles, prédites par des extensions du modèle standard (théorie des supercordes en particulier), qui agiraient à basse énergie sur des échelles macroscopiques avec une signature observable. La clé de cette recherche réside dans l'étude très précise de la loi de la gravitation, car ces nouvelles forces devraient modifier la loi de Newton macroscopiquement, en superposant au potentiel newtonien un potentiel d'interaction de portée finie ou par une violation du principe d'équivalence sous sa forme d'une non universalité de la chute libre des corps.

L'environnement spatial, en l'absence des perturbations liées au bruit sismique terrestre, constitue le domaine de prédilection pour des expériences ultra précises sur la gravitation et convient idéalement pour la recherche d'interactions nouvelles pouvant se manifester à basse énergie. Deux grandes thématiques peuvent être distinguées pour l'expérimentation spatiale en Physique fondamentale :

- une thématique classique (par opposition à quantique) où le spatial a déjà joué un grand rôle et qui comprend en particulier les mesures d'effets relativistes dans le système solaire (projet d'horloges atomiques Aces) et l'observation du rayonnement gravitationnel (projet Lisa),

- une thématique quantique, plus récente et plus spéculative, qui n'a encore donné lieu à aucune expérience spatiale et qui regroupe les recherches d'interactions nouvelles à l'échelle macroscopique (projet Microscope et projet Step) ainsi que l'étude du rayonnement cosmique (projet Ams).

L'Espace constitue un laboratoire privilégié pour étudier l'unification des interactions fondamentales et la place particulière de la gravitation parmi celles-ci. Les théories visant à unifier la gravitation avec les autres interactions prédisent l'existence de nouvelles particules associées à de nouvelles interactions. Cela aurait des conséquences observables : par exemple, la violation apparente du principe d'équivalence entre masse inerte et masse gravitationnelle, hypothèse de base de la Relativité générale, ce qui traduirait un champ de forces se superposant à la gravitation à certaines échelles de distance mais ne se couplant pas simplement à la masse ; ou encore des valeurs des paramètres post-newtoniens différentes de celles prévues par la Relativité générale et traduisant l'existence d'une composante scalaire de la gravitation.

On trouvera en annexe(21(*)) une description des projets à l'étude ou en cours de réalisation dans ce nouveau domaine qui semble promis à ouvrir une nouvelle dimension - et une dimension majeure - de la recherche scientifique spatiale. Ces projets couvrent quatre thèmes :

a) Le principe d'équivalence

b) Les effets relativistes

c) Les ondes gravitationnelles

d) Les astro-particules

* (21) Cf. Annexe 6-3 : Recherche - Physique fondamentale.