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Relativité : la dilatation du temps observée directement au laboratoire

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Conséquence inévitable des théories de la relativité restreinte et générale, la dilatation du temps n'a longtemps pu être observée directement qu'à bord d'engins rapides (avions ou satellites). Grâce à une horloge atomique dernier cri, on peut aujourd'hui la mettre en évidence pour des déplacements de seulement quelques dizaines de kilomètres à l'heure, ou à des altitudes différant... de 30 centimètres !

James Chin-Wen Chou, du NIST, devant l'horloge atomique la plus précise au monde, basée sur les vibrations d'un seul ion aluminium. L'ion est piégé à l'intérieur du cylindre métallique (centre droit). © J. Burrus/NIST

Il y a quelque temps, les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont annoncé avoir réalisé l'horloge atomique la plus précise au monde. Elle est constituée d'un seul ion d'aluminium, piégé par des champs électriques, et que l'on peut exciter à l'aide d'un rayon laser. On peut ainsi faire « vibrer » l'ion en faisant sauter l'un de ses électrons d'un niveau d'énergie à un autre en environ un millionième de milliardième de seconde.

Complétée par des techniques empruntées aux expériences portant sur les ordinateurs quantiques (voir le dossier complet sur les ordinateurs quantiques), cette horloge atomique est supérieure à celles basées sur le césium et pourrait un jour conduire à des étalons de temps cent fois plus précis que ceux existant aujourd'hui.

Pour l'heure, les physiciens viennent de s'en servir pour mesurer un phénomène bien connu prédit par les équations de la relativité restreinte et même de la relativité générale : la dilatation du temps.

Une prédiction centenaire

Dès son article de 1905, Einstein avait en effet démontré que la constance de la vitesse de la lumière pour tous les observateurs (quelles que soient les expériences de mécanique ou d'électromagnétisme dans des référentiels en mouvements rectilignes uniformes) nécessitait que les horloges ne mesurent pas des écoulements du temps identiques. Cette prédiction étonnante, bien illustrée par le fameux paradoxe des jumeaux de Langevin, a cependant reçu des confirmations incontestables.

Bien que le phénomène soit très exagéré sur ce dessin, il est tout de même exact que le rythme de l'écoulement du temps pour une horloge est d'autant plus rapide qu'elle est placée en altitude dans le champ de gravitation de la Terre. © Loel Barr

Le même phénomène de non-uniformité de la vitesse d'écoulement du temps pour des observateurs placés dans des champs de gravitation différents se retrouve dans la théorie de la relativité générale. Il est d'ailleurs pris en compte dans le système GPS. Cela n'est pas étonnant puisque la non-uniformité de la vitesse d'écoulement du temps fut découverte par Einstein afin de rendre compatible la théorie de la gravitation avec sa théorie de la relativité restreinte. Dans le cas de la théorie de Newton, on peut en effet montrer que la gravitation doit faire sentir son influence des millions de fois plus vite que la lumière.

Dans les deux cas, les effets sont tout de même si faibles, compte tenu de vitesses que peut atteindre l'Homme ou de la petitesse des champs de gravitation dans le Système solaire, qu'il a fallu la réalisation des premières horloges atomiques pour mesurer directement ces phénomènes surprenants.

Des horloges atomiques à la précision inégalée

Aujourd'hui, comme il est expliqué dans un article de Science, en employant les nouvelles horloges atomiques qui ne retardent que d'une seconde tous les 3,7 milliards d'années, il est possible d'observer et de mesurer des effets relativistes de la dilatation du temps à l'échelle humaine.

En effet, lors d'expériences avec deux horloges ne nécessitant que quelques dizaines d'heures, il a suffi de déplacer une des horloges à une vitesse de l'ordre de 35 km/h ou d'en surélever une autre d'une trentaine de centimètres, pour exhiber des différences d'écoulement du temps aussi faible que 90 milliardièmes de seconde sur 79 ans.

Pour les chercheurs, ce type d'horloge pourrait un jour équiper un réseau planétaire mesurant de très faibles variations du champ de gravitation de la Terre et fournissant d'importantes informations pour la géophysique.