Comment l’horloge la plus précise du monde pourrait changer la physique de base

WASHINGTON – La théorie générale de la relativité d’Einstein soutient qu’un objet aussi massif que la Terre plie l’espace-temps, ce qui ralentit le temps à mesure que vous vous en approchez. Ainsi, une personne au sommet d’une montagne vieillit légèrement plus vite qu’une personne au niveau de la mer.

Des scientifiques américains ont maintenant confirmé la théorie à la plus petite échelle jamais réalisée, montrant que les horloges fonctionnent à des rythmes différents lorsqu’elles sont séparées par des fractions de millimètre.

John Yee, du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’Université du Colorado à Boulder, a déclaré à l’AFP que leur nouvelle horloge était « de loin » la plus précise de tous les temps – et pourrait ouvrir la voie à de nouvelles découvertes en mécanique quantique, la livre de règles pour le monde subatomique.

Ye et ses collègues ont publié leurs découvertes mercredi dans la prestigieuse revue Nature, décrivant les avancées techniques qui leur ont permis de construire un appareil 50 fois plus précis que les meilleures horloges atomiques d’aujourd’hui.

Les scientifiques n’ont pu prouver la théorie d’Albert Einstein en 1915 qu’après l’invention des horloges atomiques – qui gardent l’heure en découvrant la transition entre deux états d’énergie dans un atome soumis à une certaine fréquence.

Les premières expériences comprenaient la sonde gravitationnelle A de 1976, qui comprenait un vaisseau spatial à 6 000 miles (10 000 km) au-dessus de la surface de la Terre et a montré que l’horloge à bord était une seconde plus rapide que son homologue terrestre tous les 73 ans.

Depuis, les horloges sont devenues plus précises, et donc mieux à même de détecter les effets de la relativité.

En 2010, les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont remarqué que le temps évoluait à des rythmes différents lorsque leur montre était relevée de 33 centimètres (un peu plus d’un pied).

– Théorie de tout –

La percée majeure de Yi a été de travailler avec des réseaux de lumière, connus sous le nom de synapses optiques, pour piéger les atomes dans des arrangements ordonnés. Ceci afin d’empêcher les atomes de tomber en raison de la gravité ou de se déplacer autrement, entraînant une perte de précision.

À l’intérieur de la nouvelle montre Ye se trouvent 100 000 atomes de strontium, empilés les uns sur les autres comme une pile de crêpes, avec une hauteur totale d’environ un millimètre.

L’horloge est si précise que lorsque les scientifiques divisent la pile en deux, ils peuvent détecter des différences de temps dans les moitiés supérieure et inférieure.

A ce niveau de précision, les montres agissent essentiellement comme des capteurs.

« L’espace et le temps sont liés », a déclaré Yi. « Et avec une mesure précise du temps, vous pouvez réellement voir comment l’espace change en temps réel – la Terre est un corps vivant et vivant. »

De telles horloges dispersées dans une zone volcaniquement active peuvent indiquer aux géologues la différence entre la roche dure et la lave, aidant ainsi à prédire les éruptions volcaniques.

Ou, par exemple, étudier comment le réchauffement climatique provoque la fonte des glaciers et la montée des océans.

Mais ce qui intéresse le plus Yi, c’est la façon dont les futures horloges peuvent annoncer un tout nouveau monde de la physique.

L’horloge actuelle peut détecter des différences de temps sur 200 microns – mais si cela est réduit à 20 microns, elle peut commencer à explorer le monde quantique, aidant à combler les disparités en théorie.

Alors que la relativité explique magnifiquement le comportement des grands objets comme les planètes et les galaxies, elle est notoirement en conflit avec la mécanique quantique, qui traite de très petites choses.

Selon la théorie quantique, chaque particule est aussi une onde – et elle peut occuper plusieurs endroits en même temps, ce que l’on appelle la superposition. Mais on ne sait pas comment un objet à deux endroits simultanément peut déformer l’espace-temps, selon la théorie d’Einstein.

Ainsi, l’intersection des deux domaines rapprocherait la physique d’une « théorie du tout » unifiée qui expliquerait tous les phénomènes physiques de l’univers.