les physiciens aux États-Unis et en Allemagne ont utilisé deux principes fondamentaux de la mécanique quantique pour effectuer un test de haute précision de la théorie générale de la relativité d’Einstein., Les chercheurs ont exploité la dualité onde-particule et la superposition dans un interféromètre atomique pour prouver qu’un effet connu sous le nom de décalage vers le rouge gravitationnel – le ralentissement du temps près d’un corps massif – est fidèle à une précision de sept parties sur un milliard. Le résultat est important dans la recherche d’une théorie de la gravité quantique et pourrait avoir des implications pratiques importantes, telles que l’amélioration de la précision des systèmes de positionnement mondiaux.
le décalage vers le rouge gravitationnel suit le principe d’équivalence qui sous-tend la relativité générale., Le principe d’équivalence stipule que les effets locaux de la gravité sont les mêmes que ceux d’être dans un cadre de référence accéléré. Ainsi, la force vers le bas ressentie par quelqu’un dans un ascenseur pourrait être également due à une accélération vers le haut de l’ascenseur ou à la gravité. Les impulsions de lumière envoyées vers le haut d’une horloge sur le plancher de l’ascenseur seront décalées Doppler, ou redshifted, lorsque l’ascenseur accélère vers le haut, ce qui signifie que cette horloge semblera cocher plus lentement lorsque ses flashes sont comparés au plafond de l’ascenseur à une autre horloge., Parce qu’il n’y a aucun moyen de distinguer la gravité et l’accélération, il en sera de même dans un champ gravitationnel; en d’autres termes, plus l’attraction gravitationnelle ressentie par une horloge est grande, ou plus elle est proche d’un corps massif, plus elle tiquera lentement.
la Confirmation de cet effet soutient l’idée que la gravité est une manifestation de la courbure de l’espace–temps car l’écoulement du temps n’est plus constant dans tout l’univers mais varie en fonction de la distribution des corps massifs., Le renforcement de l’idée de courbure de l’espace–temps est important pour distinguer les différentes théories de la gravité quantique, car il existe certaines versions de la théorie des cordes dans lesquelles la matière peut répondre à autre chose que la géométrie de l’espace–temps.,
universalité de la chute libre
le décalage vers le rouge gravitationnel, cependant, en tant que manifestation de l’invariance de position locale (l’idée que le résultat de toute expérience Non gravitationnelle est indépendant de l’endroit et du moment où elle est réalisée dans l’univers) est le moins bien confirmé des trois types Les deux autres, l’universalité de la chute libre et l’invariance locale de Lorentz, ont été vérifiées avec des précisions de 10-13 ou mieux, alors que le décalage vers le rouge gravitationnel n’avait été confirmé auparavant qu’à une précision de 7 × 10-5., Cela a été réalisé en 1976 en enregistrant la différence de temps écoulé mesurée par deux horloges atomiques – l’une à la surface de la Terre et l’autre envoyée à une altitude de 10 000 km Dans une fusée.
Ce type de mesure du décalage vers le rouge est limité par le degré d’attraction gravitationnelle fourni par la masse de la Terre., La nouvelle recherche, menée par Holger Müller de L’Université de Californie à Berkeley, Achim Peters de L’Université Humboldt de Berlin et Steven Chu, auparavant à Berkeley mais maintenant secrétaire américain à l’énergie, est limitée de la même manière mais parvient à augmenter considérablement la précision grâce à une horloge ultrafine fournie par la mécanique quantique.,
en 1997, Peters a utilisé des techniques de piégeage laser développées par Chu pour capturer les atomes de césium et les refroidir à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu (afin de réduire leur vitesse autant que possible), puis a utilisé un faisceau laser vertical pour donner un coup de pied vers le haut aux atomes afin de
maintenant, Chu et Müller ont réinterprété les résultats de cette expérience pour donner une mesure du décalage vers le rouge gravitationnel.
Dans l’expérience de chacun des atomes a été exposé à trois impulsions laser., La première impulsion a placé l’atome dans une superposition de deux états tout aussi probables – soit en le laissant seul pour décélérer puis retomber sur Terre sous l’attraction de la gravité, soit en lui donnant un coup de pied supplémentaire pour qu’il atteigne une plus grande hauteur avant de descendre. Une seconde impulsion a ensuite été appliquée juste au bon moment de manière à repousser l’atome dans le deuxième état plus rapidement vers la Terre, provoquant la rencontre des deux états de superposition en descendant., À ce stade, la troisième impulsion a mesuré l’interférence entre ces deux états provoquée par l’existence de l’atome en tant qu’onde, l’idée étant que toute différence de décalage vers le rouge gravitationnel telle que ressentie par les deux états existant à des hauteurs différentes au-dessus de la surface de la Terre serait manifeste comme un changement
fréquence énorme
La vertu de cette approche est la fréquence extrêmement élevée de l’onde de Broglie d’un atome de césium – environ 3 × 1025 Hz. Bien que pendant le 0.,3 s de chute libre les ondes de matière sur la trajectoire supérieure ont connu un temps écoulé de seulement 2 × 10-20 s de plus que les ondes sur la trajectoire inférieure, l’énorme fréquence de leur oscillation, combinée à la capacité de mesurer des différences d’amplitude d’une seule partie Sur 1000, ont permis aux chercheurs de confirmer le décalage vers le rouge gravitationnel avec une précision de 7 × 10-9.,
comme le dit Müller, « si le temps de chute libre était étendu à l’âge de l’univers – 14 milliards d’années – la différence de temps entre les voies supérieure et inférieure ne serait que d’un millième de seconde, et la précision de la mesure serait de 60 ps, le temps qu’il faut pour que la lumière voyage »
Cette précision extrême pourrait devenir utile à mesure que les systèmes de positionnement mondiaux deviennent de plus en plus précis., Comme le souligne Müller, pour déterminer la position d’un objet au sol avec une précision millimétrique, les horloges atomiques des satellites GPS devraient fonctionner avec une précision de 10-17, un chiffre en fait atteint récemment par une horloge développée au National Institute of Standards and Technology aux États-Unis (Voir « New optical clock breaks accuracy record”). Mais à l’altitude des satellites de 20 000 km, ces horloges connaîtront une accélération du temps d’environ une partie en 1010 grâce au décalage vers le rouge gravitationnel., Récupérer la précision de 10-17 nécessiterait donc de connaître l’effet de décalage vers le rouge à une précision de 10-7.
Müller espère améliorer encore la précision des mesures du décalage vers le rouge en augmentant la distance entre les deux états de superposition des atomes de césium. La distance atteinte dans la recherche actuelle n’était que de 0,1 mm, mais, dit–il, en augmentant cette distance à 1 m, il devrait être possible de détecter des ondes gravitationnelles, de minuscules ondulations dans le tissu de l’espace-temps prédites par la relativité générale mais jamais observées auparavant.
Le travail est décrit dans Nature 463 926.,