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Retard des horloges : un test donne – encore – raison à Einstein

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La relativité générale a fait l'objet de multiples tests mais il en est un dont la précision n'avait pas été améliorée depuis 1976. C'est chose faite grâce à l'interférométrie atomique basée sur des atomes de césium. Dix mille fois plus précise, la mesure de l'effet du champ de gravitation d'un corps sur l'écoulement du temps confirme à nouveau la théorie d'Einstein.

La gravitation ne se contente pas de dévier la trajectoire des rayons lumineux, elle ralentit aussi l'écoulement du temps. Crédit : Nasa

L'une des premières prédictions de la théorie relativiste de la gravitation d'Einstein est que le temps s'écoule plus lentement à la surface d'un corps céleste qu'à grande distance de lui. L'effet est d'autant plus important que le champ de gravitation est fort. Une blague bien connue des astrophysiciens relativistes est de dire qu'il vaut mieux ne pas prendre ses vacances sur une étoile à neutrons car on court (entre autre) le risque de revenir en retard à son lieu de travail.

Ce phénomène de décalage du rythme des horloges avec l'altitude par rapport à la surface d'un astre, comme par exemple la Terre, se traduit aussi par un décalage spectral de la lumière vers le rouge quand elle quitte une planète ou une étoile. Inversement, la fréquence d'un photon tombant en direction de la surface de ces astres apparaîtrait décalée vers le bleu pour un observateur au sol. Une prédiction précise de ce décalage avait été tirée de la théorie de la relativité générale et comparée une première fois de façon fiable en 1959 et les années suivantes par Pound et Rebka à l'Université de Harvard. Plus tard, l'effet de décalage a été testé plus précisément à l'aide d'une fusée en 1976 par Vessot et ses collègues. Il s'agissait de l'expérience Gravity Probe A, l'ancêtre en quelque sorte de Gravity Probe B (qui teste d'autres prédictions de la relativité générale).

Augmenter la précision des tests de la relativité générale pourrait montrer des désaccords entre ses prédictions et l'expérience et ainsi nous aiguiller en direction d'une nouvelle physique dont nous manquons cruellement pour résoudre des énigmes comme celles de la matière noire ou de l'énergie noire. C'est pourquoi les résultats de l'expérience réalisée par Holger Müller, Achim Peters et le prix Nobel de physique Steven Chu, publiés dans Nature, sont intéressants, même s'ils sont d'une certaine façon négatifs.

Ces chercheurs, passés maîtres dans la technique de l'interférométrie atomique, ont en effet gagné un facteur de 10.000 en précision par rapport à l'expérience Gravity Probe A. Mais aucun désaccord avec les prédictions de la théorie d'Einstein n'a pu être détecté. Ce genre de résultat est tout de même précieux pour contraindre les paramètres dans des théories concurrentes proposées pour décrire la courbure de l'espace-temps, responsable de la gravitation.

Le principe de l'expérience consiste à utiliser des faisceaux d'atomes de césium. Du fait des principes de la mécanique quantique, des particules, comme des électrons, présentent un aspect ondulatoire qui décrit leur mouvement et leur localisation dans l'espace et le temps pour un observateur classique. Il en est de même au-delà de cette échelle pour un édifice suffisamment petit, constitué de telles particules. C'est bien le cas des atomes et même des molécules. On sait d'ailleurs obtenir interférences et diffractions à l'aide d'atomes depuis près de 80 ans.

Le schéma de l'expérience, montrant deux faisceaux déviés par des tirs laser (Laser pulse) dans l'espace (l'altitude, Height, varie) et dans le temps (Time). L'expérience met en évidence, et mesure, l'effet sur l'écoulement du temps produit par le champ de gravité, lequel est plus faible pour le faisceau du haut car son altitude est plus élevée... de 0,1 millimètre. Voir les explications dans le texte. Crédit : Nature

Une différence sur l'heure d'arrivée équivalant à un centième de seconde pour 14 milliards d'années

Dans le cas présent, un faisceau d'atomes de césium lancé vers le haut a été bombardé par un laser de sorte qu'environ la moitié des atomes puissent emprunter une trajectoire un peu plus haute. Deux trajets sont ainsi possibles pour les atomes initiaux.

Un autre faisceau laser incurve vers le bas les atomes du faisceau atomique le plus haut et un troisième laser provoque enfin la recombinaison des ondes d'amplitude de probabilité des deux faisceaux d'atomes de césium.

On se trouve alors dans une situation très similaire à celle de l'expérience des trous de Young avec des photons ou des électrons. Sauf qu'ici, en plus du déphasage obtenu à cause de la différence de longueur de trajet dans l'espace entre les deux faisceaux d'atomes, s'ajoutent les différences d'écoulement du temps selon l'altitude, produites par la courbure de l'espace-temps. La figure d'interférence obtenue au final devient donc sensible au décalage temporel selon cette altitude.

Dans cette expérience, la différence d'altitude entre les deux faisceaux d'atome n'est que de 0,1 millimètre mais la technique d'interférométrie atomique est si précise que même l'infime décalage temporel entre les deux chemins parcourus par les atomes de césium, 10-20 seconde environ, est mesurable à 7.10-9 près, ce qui représente une amélioration d'un facteur 10.000 par rapport à Gravity Probe A.

Holger Müller a donné une comparaison pour rendre la performance de cette expérience plu palpable. Selon le physicien : « si le temps de chute libre des atomes est étendu à l'âge de l'univers, 14 milliards d'années environ, la différence de temps entre les deux itinéraires serait inférieure à 1/100ème de seconde et la précision de la mesure serait de 60 picosecondes ! ».

Les chercheurs pensent pouvoir aller plus loin encore et atteindre cette année une différence d'altitude de 1 millimètre. L'idéal serait d'atteindre une séparation de 1 mètre entre les deux faisceaux. L'expérience serait alors sensible au passage des ondes gravitationnelles émises par les collisions d'étoiles à neutrons ou de trous noirs !

Mais pour filtrer le bruit de la gravité terrestre et d'autres perturbations, comme un camion qui passe, une telle expérience devrait impliquer au moins deux interféromètres atome séparés par une grande distance. Un endroit idéal pour l'expérience serait le Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL) de l'ancienne mine de Homestake dans le Dakota du Sud.