CINQUIÈME FORCE HYPOTHÈSE DE LA

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Des quatre forces fondamentales de la nature, la plus anciennement connue est aussi la plus mystérieuse. Alors que les interactions électromagnétiques forte et faible s'intègrent relativement bien dans un schéma théorique commun dit de grande unification, la gravitation reste une des grandes questions ouvertes de la physique. En janvier 1986, tandis que les expérimentateurs commençaient à installer un peu partout sur la planète de gigantesques interféromètres pour capter les ondes gravitationnelles prévues par la relativité générale, un physicien américain, Ephraim Fischbach, découvrit une anomalie à la gravitation qui pouvait s'interpréter comme l'effet d'une nouvelle force fondamentale, aussitôt baptisée « cinquième force ».

Relisant un article datant de 1922 du baron et physicien hongrois Lórand Eötvös, Fischbach mit au jour une étrange corrélation. Les expériences d'Eötvös mettaient en question un postulat essentiel de la physique, le principe d'équivalence, selon lequel, pour un matériau donné, les masses gravitationnelle et inertielle sont égales. Suspendant des couples de matériaux différents, mais de masses égales, à un pendule de torsion, Eötvös étudia les éventuelles différences qui auraient pu se manifester sur chacun des matériaux sous l'action conjuguée de la gravitation et de la force centrifuge due à la rotation de la Terre. À l'excellent degré de précision atteint, ses résultats sont compatibles avec zéro, et considérés depuis lors comme la meilleure vérification du principe d'équivalence.

Reprenant ces mesures, Fischbach leur trouva cependant une surprenante corrélation avec des nombres baryoniques (nombre total de protons et de neutrons) des matériaux utilisés. Cette corrélation pouvait être due à une force nouvelle, de type gravitationnel mais répulsive, et de deux à trois ordres de grandeur plus faible que la gravité. En d'autres termes, et contrairement à ce qu'avait observé Galilée du haut de la tour de Pise, l'accélération subie par des corps en chute libre dépendrait de leur composition chimique. L'hypothèse de la cinquième force, étayée par diverses anomalies à la loi de Newton observées lors de mesures gravimétriques dans des mines australiennes, suscita aussitôt une impressionnante vague d'expériences.

Les premiers résultats entretinrent le suspense. Peter Thieberger, du laboratoire de Brookhaven, plaça à proximité d'une falaise un caisson contenant une sphère de cuivre flottant entre deux eaux et observa son lent éloignement de la falaise. Cela était en accord avec l'action d'une cinquième force, plus répulsive pour le cuivre (de nombre baryonique supérieur) que pour l'eau, mais les possibilités de biais expérimentaux étaient nombreuses et peu contrôlables. Peter Boynton, de l'université de Washington, fit tourner près d'une colline un pendule de torsion composé d'aluminium et de béryllium, dont la rotation s'avéra irrégulière. L'étude de la période d'oscillation réduisit cependant d'un facteur cent l'intensité d'une éventuelle cinquième force. Eric Adelberger, de la même université, montra que l'hypothèse pouvait encore être sauvée si la force se couplait non au seul nombre baryonique, mais à une combinaison (nommée isospin) des nombres baryonique et leptonique (dans le cas d'un atome, le nombre de ses électrons).

Expérience de Thieberger

Dessin : Expérience de Thieberger

L'expérience de Thieberger. La sphère de cuivre flotte dans une eau maintenue à température constante; l'enceinte thermostatée est placée à proximité d'une falaise, et la caméra filme le déplacement de la boule (le caisson externe mesure 1, 10 m de largeur sur 1, 60 m de hauteur). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Parmi les nombreuses autres expériences, on observa la chute libre d'un disque constitué de deux matériaux différents, on fit tourner à 60 000 tours par minute un cylindre fait pour moitié de magnésium et pour moitié de béryllium, on procéda à des mesures gravimétriques de précision dans des puits de 2 000 mètres de profondeur forés dans la glace de l'Antarctique et du Groenland, sans autre résultat que de voir la cinquième force diminuer d'intensité, et son éventuel lien avec l'isospin s'évanouir. En décembre 1987, alors même qu'elle se perdait dans les marges d'erreur expérimentale, elle ressuscita une dernière fois... pour se dédoubler. Faisant des mesures de l'intensité de la pesanteur depuis le sommet de l'antenne d'un émetteur de télévision, le géophysicien américain Donald Eckhardt conclut non seulement à l'existence d'une cinquième force répulsive mais aussi, à partir d'une trentaine de mètres d'altitude, à celle d'une sixième force attractive !

Si la cinquième force, depuis cette ultime péripétie, ne défraye plus guère la chronique, l'étrange « découverte en chambre » de Fischbach, à défaut de condamner le principe d'équivalence, aura permis de gagner un ou deux ordres de grandeur sur la précision des mesures de l'intensité de la pesanteur. Aujourd'hui reléguée au rang de bel espoir déçu, la cinquième force aura finalement suscité, l'espace de quelques mois, un salutaire effort expérimental.

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Pour citer l’article

Nicolas WITKOWSKI, « CINQUIÈME FORCE HYPOTHÈSE DE LA », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/hypothese-de-la-cinquieme-force/