Les horloges atomiques mesurent la relativité générale d’Einstein à l’échelle millimétrique


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  • Les physiciens du JILA ont mesuré la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, ou plus précisément l’effet appelé dilatation du temps, à la plus petite échelle jamais réalisée, montrant que deux minuscules horloges atomiques, séparées d’à peine un millimètre ou de la largeur d’une pointe de crayon pointue, cochent à taux différents.

    Les expériences, décrites dans le numéro du 17 février de Nature, suggèrent comment rendre les horloges atomiques 50 fois plus précises que les meilleures conceptions actuelles et offrent une voie pour peut-être révéler comment la relativité et la gravité interagissent avec la mécanique quantique, un dilemme majeur en physique.

    JILA est exploité conjointement par le National Institute of Standards and Technology (NIST) et l’Université du Colorado à Boulder.

    « Le résultat le plus important et le plus excitant est que nous pouvons potentiellement connecter la physique quantique à la gravité, par exemple, en sondant la physique complexe lorsque les particules sont réparties à différents endroits dans l’espace-temps courbe », a déclaré Jun Ye, membre du NIST/JILA. « Pour le chronométrage, cela montre également qu’il n’y a pas d’obstacle à rendre les horloges 50 fois plus précises qu’aujourd’hui, ce qui est une excellente nouvelle. »

    La théorie de la relativité générale d’Einstein de 1915 explique les effets à grande échelle tels que l’effet gravitationnel sur le temps et a d’importantes applications pratiques telles que la correction des mesures des satellites GPS. Bien que la théorie ait plus d’un siècle, les physiciens restent fascinés par elle. Les scientifiques du NIST ont utilisé des horloges atomiques comme capteurs pour mesurer de plus en plus précisément la relativité, ce qui pourrait enfin aider à expliquer comment ses effets interagissent avec la mécanique quantique, le livre de règles du monde subatomique.

    Selon la relativité générale, les horloges atomiques à différentes altitudes dans un champ gravitationnel fonctionnent à des rythmes différents. La fréquence du rayonnement des atomes est réduite – décalée vers l’extrémité rouge du spectre électromagnétique – lorsqu’elle est observée dans une gravité plus forte, plus près de la Terre. C’est-à-dire qu’une horloge tourne plus lentement à basse altitude. Cet effet a été démontré à plusieurs reprises ; par exemple, les physiciens du NIST l’ont mesuré en 2010 en comparant deux horloges atomiques indépendantes, l’une positionnée à 33 centimètres (environ 1 pied) au-dessus de l’autre.

    Les chercheurs du JILA ont maintenant mesuré les décalages de fréquence entre le haut et le bas d’un seul échantillon d’environ 100 000 atomes de strontium ultrafroids chargés dans un réseau optique, une configuration de laboratoire similaire aux horloges atomiques antérieures du groupe. Dans ce nouveau cas, le réseau, qui peut être visualisé comme une pile de crêpes créées par des faisceaux laser, a des gâteaux inhabituellement grands, plats et minces, et ils sont formés par une lumière moins intense que celle normalement utilisée. Cette conception réduit les distorsions du réseau généralement causées par la diffusion de la lumière et des atomes, homogénéise l’échantillon et étend les ondes de matière des atomes, dont les formes indiquent la probabilité de trouver les atomes à certains endroits. Les états d’énergie des atomes sont si bien contrôlés qu’ils oscillent tous entre deux niveaux d’énergie à l’unisson pendant 37 secondes, un record pour ce qu’on appelle la cohérence quantique.

    L’innovation en imagerie du groupe Ye, qui a fourni une carte microscopique des distributions de fréquence à travers l’échantillon, et leur méthode de comparaison de deux régions d’un nuage d’atomes plutôt que l’approche traditionnelle consistant à utiliser deux horloges distinctes, ont été cruciales pour les nouveaux résultats.

    Le décalage vers le rouge mesuré à travers le nuage d’atomes était minuscule, de l’ordre de 0,0000000000000000001, conformément aux prévisions. (Bien que beaucoup trop petites pour que les humains puissent les percevoir directement, les différences s’additionnent pour avoir des effets majeurs sur l’univers ainsi que sur des technologies telles que le GPS.) L’équipe de recherche a résolu cette différence rapidement pour ce type d’expérience, en environ 30 minutes de données moyennes. . Après 90 heures de données, leur précision de mesure était 50 fois meilleure que dans n’importe quelle comparaison d’horloge précédente.

    « C’est un tout nouveau jeu de balle, un nouveau régime où la mécanique quantique dans l’espace-temps courbe peut être explorée », a déclaré Ye. « Si nous pouvions mesurer le décalage vers le rouge 10 fois mieux que cela, nous pourrions voir les ondes de matière entières des atomes à travers la courbure de l’espace-temps. Pouvoir mesurer la différence de temps sur une échelle aussi infime pourrait nous permettre de découvrez, par exemple, que la gravité perturbe la cohérence quantique, ce qui pourrait expliquer pourquoi notre monde à grande échelle est classique. »

    De meilleures horloges ont de nombreuses applications possibles au-delà du chronométrage et de la navigation. Ye suggère que les horloges atomiques peuvent servir à la fois de microscopes pour voir de minuscules liens entre la mécanique quantique et la gravité et de télescopes pour observer les coins les plus profonds de l’univers. Il utilise des horloges pour rechercher la matière noire mystérieuse, censée constituer la majeure partie de la matière de l’univers. Les horloges atomiques sont également sur le point d’améliorer les modèles et la compréhension de la forme de la Terre grâce à l’application d’une science de mesure appelée géodésie relativiste.

    Le financement a été fourni par la Defense Advanced Research Projects Agency, la National Science Foundation, le Department of Energy Quantum System Accelerator, le NIST et le Air Force Office for Scientific Research.

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