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... un millimètre !

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On dit souvent que la théorie de la relativité générale a été découverte par Albert EinsteinEinstein avec pour but de pouvoir traiter des effets de l'existence de l'espace-tempsespace-temps dans des référentielsréférentiels accélérés alors que sa théorie de la relativité restreinte ne rendait compte que des phénomènes dans des référentiels en translationtranslation rectiligne et uniforme, donc sans accélération.

Ce n'est pas le cas et il est tout à fait possible de calculer, par exemple, le comportement des horloges dans une fuséefusée qui accélère par rapport au référentiel initial où elle a débuté son accélération. La théorie de la relativité restreinterelativité restreinte prédit que l'écoulement du temps va ralentir par rapport à celui mesuré par une horloge au repos dans ce référentiel initial.

Or, comme Albert Einstein l'avait compris, le fait qu'un référentiel accéléré soit localement indiscernable d'un référentiel au repos dans un champ de gravitégravité implique que l'écoulement du temps doit ralentir d'autant plus que le champ de gravité est intense. Une horloge sur la surface de la Terre devrait donc subir un écoulement du temps plus lent qu'une horloge dans un satellite initialement synchronisée avec la première au sol avant son départ pour l'espace.

L'effet est faible mais bien mesurable notamment avec les horloges atomiques héritières des travaux du prix Nobel de physiquephysique Norman Ramsey. En fait, nous le vérifions tous les jours car le GPSGPS doit tenir compte de cette différence d'écoulement du temps entre la surface de la Terre et le réseau de satellites qui le rend possible pour être efficace (l'effet de dilatationdilatation des duréesdurées du fait que ces satellites sont aussi en mouvementmouvement par rapport au sol doit également être pris en compte, ce qui veut dire qu'il faut utiliser aussi bien la relativité restreinte que la relativité généralerelativité générale pour faire fonctionner un GPS).

Les progrès concernant les horloges atomiques sont tels qu'il n'y a guère plus d'une décennie, il était possible de mettre en évidence un effet de ralentissement lié au champ de gravitationgravitation terrestre en comparant l'écoulement du temps entre deux points à la verticale d'un lieu espacés d'environ 30 centimètres ! La performance avait été réalisée par des physiciensphysiciens du National Institute of Standards and Technology (NISTNIST) à Boulder dans le Colorado (États-Unis), comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous.


Le physicien Jun Ye explique son travail et celui de ses collègues sur les mesures particulièrement précises de l'effet de la gravitation sur l'écoulement du temps. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © National Institute of Standards and Technology

Des horloges atomiques pour explorer la gravitation quantique ?

Ce sont encore des physiciens du même NIST, à Boulder, plus précisément du Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) qui viennent de publier un article dans Nature (disponible sur arXiv) annonçant qu'il avait encore repoussé les limites de la précision des horloges atomiques, ce qui leur a permis de mesurer l'effet de dilatation des durées entre deux points verticaux distants cette fois-ci de seulement un millimètre !

Les physiciens du JILA ont conçu une horloge atomiquehorloge atomique ultraprécise en refroidissant et en piégeant environ 100.000 atomes de strontiumstrontium avec des laserslasers. Les atomes ultrafroids obtenus étaient alors dans des sites d'une sorte de réseau cristallinréseau cristallin artificiel où les lasers les ont piégés.

Décrits par les lois de la mécanique quantiquemécanique quantique, ces atomes étaient dans une superposition de deux états d'énergieénergie entre lesquels ils oscillaient parfaitement pendant 37 secondes avant que les effets de la décohérence, toutes sortes de perturbation de l'environnement, ne détruisent la superposition et les oscillations (rappelons que la décohérence est l'obstacle principal à la réalisation d'ordinateurs quantiquesordinateurs quantiques universels puissants.

Les atomes ultrafroids devenaient donc dans un état plus conforme à notre intuition classique de la réalité ou un objet ne peut pas être dans deux états à la fois, par exemple mort et vivant dans le cas du fameux paradoxe du chat de Schrödinger dont l’énigme a été résolue par la théorie de la décohérence justement.

Les mesures ultraprécises de temps que permettent les horloges du JILA ont toutes sortes d'applications potentielles, comme l'explique la vidéo ci-dessus.


Une présentation du phénomène de décohérence. © La Physique Autrement

L'une des plus fascinantes est sans doute en rapport avec une théorie complète de la décohérence qui expliquerait dans tous les détails pourquoi le monde nous apparaît classique pour des objets macroscopiques alors que la réalité est fondamentalement quantique.

Les physiciens du JILA pensent qu'ils peuvent encore gagner en précision avec leurs horloges jusqu'au point de pouvoir tester certaines des idées notamment avancées par le prix Nobel de physique Roger Penrose. Des effets fins de gravitation quantiquegravitation quantique deviendraient perceptibles sur les ondes de matière des atomes ultrafroids, mettant en évidence un effet de décohérence produit par la gravitation elle-même sur des objets quantiques de suffisamment grande taille.

 


Relativité : la dilatation du temps observée directement au laboratoire

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 02/10/2010

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 !

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 ionion d'aluminiumaluminium, 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 électronsélectrons 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 césiumcésium 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 équationséquations 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'électromagnétismeélectromagnétisme 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
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 NewtonNewton, 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 solaireSystème 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.

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
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