Les horloges atomiques sont capables d’effectuer les mesures physiques les plus précises que l’humanité puisse faire, mais en raison de leur complexité, elles ont été limitées à une utilisation en laboratoire – jusqu’à présent.
Pour la première fois, des scientifiques ont mis au point une version portable et l’ont utilisée pour mesurer la gravité en dehors d’un laboratoire.
La technologie impliquée dans les horloges atomiques est époustouflante. Elles suivent l’oscillation extrêmement régulière des atomes piégés par des lasers pour conserver le temps le plus précis possible, ce qui permet de le mesurer à la 18e décimale.
L’horloge atomique la plus précise jamais construite à partir d’atomes de strontium contenus dans un réseau de lasers – ce que l’on appelle une horloge atomique à réseau optique – ne perdra ni ne gagnera une seconde pendant 15 milliards d’années. C’est plus long que l’âge actuel de l’Univers.
Les atomes de strontium sont refroidis à une température juste supérieure à celle du zéro absolu, piégés par le schéma d’interférence de deux faisceaux laser. Le laser excite l’atome, ce qui le fait osciller.
La nouvelle horloge atomique portable, également un réseau optique de strontium mis au point par des chercheurs de la Physikalisch-Technische Bundesanstal en Allemagne, n’est pas aussi précise que le record de 2015. Son incertitude est de 7,4 × 10-17.
Mais il est suffisamment précis pour mesurer le redshift gravitationnel, comme vient de le découvrir l’équipe internationale de chercheurs.
Nous savons que la gravité affecte la matière. Nous savons qu’elle affecte la lumière. Et, oui, elle a également un effet sur le temps : là où la gravité est plus forte, le temps passe plus lentement.
Vous ne pourriez pas le détecter avec une montre ordinaire sur Terre, mais les horloges atomiques sont si précises qu’elles peuvent être utilisées pour mesurer cet effet.
Ce champ est appelé relativité générale. La géodésie relativiste, parce que, surprise, elle a été prédite par la théorie de la relativité générale d’Einstein
Le décalage vers le rouge gravitationnel a déjà été mesuré par des horloges atomiques en laboratoire. La mesurer avec l’horloge atomique portable ne nous apprend rien de nouveau sur le redécalage gravitationnel, mais nous montre que l’horloge atomique portable mérite d’être étudiée.
L’horloge atomique dans sa remorque. (Physikalisch-Technische Bundesanstalt)
L’équipe a conduit l’horloge dans une remorque stabilisée en température et amortie des vibrations jusqu’au Laboratoire souterrain de Modane, en France, et a comparé les mesures qu’elle a prises avec celles effectuées à l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica de Turin, à 90 kilomètres de là et à une différence de hauteur de 1 000 mètres (3 280 pieds).
Une liaison par fibre optique et des peignes de fréquence ont permis de relier les deux horloges et de comparer leurs relevés avec précision.
Entre-temps, des mesures ont également été effectuées à l’aide d’une horloge cryogénique à fontaine de césium et d’une horloge à réseau optique d’ytterbium. Les chercheurs ont ensuite conduit l’horloge portable à Turin pour la comparer aux mesures effectuées à cet endroit.
Les mesures étaient cohérentes, mais l’horloge nécessite encore un peu de travail, a écrit Andrew Ludlow du National Institute of Standards and Technology, qui n’a pas participé à la recherche.
“Comme on pouvait s’y attendre pour ce type d’effort pionnier, la campagne de mesure n’était pas parfaite”, a-t-il écrit dans un éditorial connexe pour Nature Physics.
“Il y a eu des périodes où l’horloge optique portable ne fonctionnait pas, et la précision des mesures était limitée en dessous de la capacité des horloges optiques.
“Et bien que la mesure géodésique relativiste s’accorde bien avec les mesures géodésiques conventionnelles, sa précision était de deux ordres de grandeur inférieure aux techniques conventionnelles.”
Néanmoins, l’expérience a prouvé le principe, représentant une étape importante vers les horloges atomiques portables.
À l’avenir, ces horloges pourraient être utilisées de manière beaucoup plus souple que les horloges atomiques actuelles, qui se trouvent dans des laboratoires.
Par exemple, l’installation d’une horloge à réseau optique dans l’espace ouvrirait la voie à de nouveaux tests de relativité générale, à la comparaison avec les horloges atomiques terrestres, à la géophysique, à l’interférométrie spatiale et, oui, à des tests de géodésie plus relativistes à partir d’une orbite terrestre basse.
Elle pourrait également aider à surveiller les modifications du niveau de la mer résultant du changement climatique, et contribuer à l’établissement d’un système mondial unifié de référence de la hauteur, ont noté les chercheurs.
“Les horloges optiques sont considérées comme la prochaine génération d’horloges atomiques – fonctionnant non seulement dans les laboratoires mais aussi comme des instruments de précision mobiles”, a déclaré Christian Lisdat de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt.
“Cette coopération prouve une fois de plus comment des disciplines telles que la physique ou la métrologie, la géodésie et la recherche sur l’impact climatique peuvent se bénéficier mutuellement.”
L’article de l’équipe a été publié dans la revue Nature Physics.