QU'EST-CE QUE LA PHYSIQUE FONDAMENTALE DANS L'ESPACE ?

La Physique Fondamentale dans l'espace, comme définie par le COSPAR (Commission of the Committee on Space Research), englobe des activités de recherche qui peuvent être classées en deux catégories étroitement corrélées cependant (1) l'étude des lois fondamentales régissant la matière, l'espace et le temps, et (2) l'utilisation de l'espace pour l'étude des principes régissant la structuration et la complexité de la matière.
Le CNES participe à l'effort de compréhensions de ces lois avec la communauté scientifique française, au sein de l'ESA ou en coopération avec d'autres agences spatiales. En effet depuis le séminaire de prospective du CNES d'octobre 1993 à Saint-Malo, la communauté scientifique française a proposé plusieurs expériences spatiales de physique fondamentale et a fait ses preuves dans ce domaine mondialement reconnu, à la pointe de l'innovation technologique et de la recherche théorique. Elle s'est rassemblée sous la forme du Groupement de Recherche Gravitation Expérimentale (GDR GREX) créé par le CNRS en 1995 et soutenu par le CNES.

MATIERE, ESPACE ET TEMPS

Dans la première moitié du 20^ème siècle, deux théories importantes, la théorie de la relativité générale, et la théorie quantique, modifièrent considérablement la perception de notre monde physique. Sur la base de ces deux théories, les physiciens développèrent et testèrent dans la seconde partie du 20^ème siècle une nouvelle théorie de la matière, appelée le Modèle Standard, et étendirent la théorie classique de l'Espace-Temps (cosmologie du 'Big Bang', ...).
Des questions aussi fondamentales sur les lois ultimes gouvernant notre réalité physique, les origines et le contenu physique de notre univers, peuvent désormais être formulées et étudiées ; des réponses peuvent même être fournies : Y a-t-il une 'théorie unifiée' comprenant toutes les lois de la physique ? Est-ce que la matière est fondamentalement instable ? Y a-t-il d'autres dimensions spatiales ? Est-ce que la majeure partie de la masse de l'univers est cachée, sous une forme encore inconnue ? Est-ce que le 'vide' spatial a une énergie ?
Physiciens et astronomes commencent à fournir des réponses, basées sur des hypothèses scientifiques, testables sur des expériences et des observations appropriées.
Le point (1) inclut donc (sans être limitatif) :

la physique gravitationnelle et la physique des particules en relation avec les tests de la relativité générale et des théories alternatives,
l'étude et la recherche des ondes gravitationnelles dans l'espace,
la recherche de particules et d'antimatière dans l'espace,
l'investigation d'éventuelles violation du Principe d'Equivalence,
la recherche d'éventuelle dérive des constantes fondamentales,
la recherche d'éventuelles nouvelles "forces",
l'unification des interactions fondamentales de la nature.

L'UTILISATION DE L'ESPACE POUR L'ETUDE DES PRINCIPES REGISSANTS LA STRUCTURATION ET LA COMPLEXITE DE LA MATIERE

Devant les prodigieuses avancées des sciences et des techniques au cours du 19ème siècle, le chimiste français Marcellin Berthelot s'était exclamé : "il n'y a pas un problème que la science ne puisse résoudre". Lord Kelvin (le Kelvin de la température) disait aussi à la fin du 19éme siècle que la physique était finie, que l'on avait tout compris, que cela marchait tellement bien que cela ne pouvait pas être faux, mais qu'il restait peut-être deux petits nuages dans le ciel bleu (en fait ces petits nuages déboucheront sur la relativité et la physique quantique !!!).
De même, pour inaugurer ses conférences sur la physique données à Cambridge en 1871, James Clerk Maxwell avait annoncé que dans quelques années "les hommes de sciences passeraient leur temps à ajouter quelques décimales aux grandes constantes de la physique".
Trente ans plus tard toutefois, Max Planck avec sa formule du spectre du corps noir, provoquait la première onde de choc de la révolution quantique. Après plus de 100 ans de physique quantique, et malgré les succès de cette théorie, le verdict de l'expérience est le suivant : l'Univers nous est encore et toujours étrange...

Le point (2) concernera donc (sans être limitatif) :

la physique quantique et ses applications, par exemple le condensat de Bose-Einstein, l'étude des phénomènes critiques dans les superfluides,
les applications des atomes refroidis par laser pour le développement de nouveaux types d'horloges ou de senseurs inertiels utilisant l'interférométrie atomique,
le rôle des principes de symétrie en physique macroscopique.

Nous sommes à une étape importante dans la compréhension de notre univers et des lois physiques qui le gouvernent. Il semble désormais que les questions auxquelles sont confrontées les scientifiques à propos de notre univers et de ses deux extrêmes, l'infiniment petit et l'infiniment grand, soient intimement liées. A ce stade, l'Espace s'avère être un environnement indispensable pour réaliser des expériences d'une sensibilité extrême encore jamais atteinte et qui ne peuvent être réalisées sur Terre. En effet, dans les années à venir, les nouvelles idées relatives à la nature de l'espace-temps, l'existence éventuelle de dimensions supplémentaires, la nature de la "matière noire" et de l'"énergie noire" qui semblent être les principaux constituants de l'Univers devront être confrontées à l'expérience. De minuscules effets violant la relativité Générale sont prévus par les nouvelles théories et devraient être observables. Plusieurs expériences spatiales proposées par des équipes scientifiques françaises et conduites par le CNES sont ainsi en préparation. Elles reposeront sur des technologies innovantes de mesure du temps, des longueurs et des accélérations. Depuis presque une dizaine d'années, le CNES a consacré des efforts importants dans le domaine des horloges à atomes refroidis, de la télémétrie laser, des accéléromètres électrostatiques et des senseurs inertiels à atomes froids qui seront les briques technologiques des expériences futures pour tester les lois les plus fondamentales de la physique.