En comparant différents types d'horloges atomiques distantes, les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont effectué le test le plus précis jamais réalisé sur un principe clé qui sous-tend la célèbre théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, qui décrit comment la gravité se rapporte à l'espace et au temps.

Le résultat du NIST, rendu possible par l'amélioration continue des horloges atomiques les plus précises au monde, donne un record, valeur extrêmement petite pour une quantité qu'Einstein avait prédit être zéro.

Comme décrit dans un Physique de la nature article mis en ligne le 4 juin Les chercheurs du NIST ont utilisé le système solaire comme laboratoire pour tester l'expérience de pensée d'Einstein impliquant la Terre comme un ascenseur en chute libre. Einstein a théorisé que tous les objets situés dans un tel ascenseur accéléreraient au même rythme, comme s'ils étaient dans un champ gravitationnel uniforme - ou sans gravité du tout. De plus, il a prédit, les propriétés de ces objets les uns par rapport aux autres resteraient constantes pendant la chute libre de l'ascenseur.

Dans leur expérience, l'équipe du NIST considérait la Terre comme un ascenseur tombant à travers le champ gravitationnel du Soleil. Ils ont comparé les données enregistrées sur les "ticks" de deux types d'horloges atomiques situées dans le monde pour montrer qu'elles sont restées synchronisées pendant 14 ans, alors même que l'attraction gravitationnelle sur l'ascenseur variait au cours de l'orbite légèrement décalée de la Terre autour du soleil. les horloges atomiques à fontaine à césium les plus précises exploitées par les laboratoires de métrologie aux États-Unis, Le Royaume-Uni, La France, Allemagne et Italie.

L'expérience a été conçue pour tester une prédiction de la relativité générale, le principe d'invariance de position locale (LPI), qui tient cela dans un ascenseur en chute, les mesures des effets non gravitationnels sont indépendantes du temps et du lieu. Une telle mesure compare les fréquences du rayonnement électromagnétique des horloges atomiques à différents endroits. Les chercheurs ont limité la violation du LPI à une valeur de 0,00000022 plus ou moins 0,00000025 - le nombre le plus minuscule à ce jour, cohérent avec le résultat prédit de la relativité générale de zéro, et correspondant à l'absence de violation. Cela signifie que le rapport entre les fréquences de l'hydrogène et du césium est resté le même alors que les horloges se déplaçaient ensemble dans l'ascenseur en chute.

Ce résultat a cinq fois moins d'incertitude que la meilleure mesure précédente du NIST de la violation LPI, se traduisant par une sensibilité cinq fois supérieure. Ce résultat antérieur de 2007, à partir d'une comparaison sur 7 ans des horloges atomiques au césium et à l'hydrogène, était 20 fois plus sensible que les tests précédents.

La dernière avancée de mesure est due à des améliorations dans plusieurs domaines, à savoir des horloges atomiques à fontaine de césium plus précises, de meilleurs processus de transfert de temps (qui permettent aux appareils situés à différents endroits de comparer leurs signaux temporels), et les dernières données pour calculer la position et la vitesse de la Terre dans l'espace, a déclaré Bijunath Patla du NIST.

"Mais la principale raison pour laquelle nous avons fait ce travail était de mettre en évidence comment les horloges atomiques sont utilisées pour tester la physique fondamentale ; en particulier, les fondements de la relativité générale, " a déclaré Patla. "C'est l'affirmation qui revient le plus souvent lorsque les horlogers s'efforcent d'améliorer la stabilité et la précision. Nous relions des tests de relativité générale avec des horloges atomiques, noter les limites de la génération actuelle d'horloges, et présenter une perspective d'avenir sur la façon dont les horloges de la prochaine génération deviendront très pertinentes."

Il est peu probable que d'autres limites sur LPI soient obtenues en utilisant des horloges à hydrogène et à césium, disent les chercheurs, mais des horloges expérimentales de nouvelle génération basées sur des fréquences optiques, qui sont bien supérieures aux fréquences des horloges à hydrogène et césium, pourrait offrir des résultats beaucoup plus sensibles. Le NIST exploite déjà une variété de ces horloges basées sur des atomes tels que l'ytterbium et le strontium.

Parce que tant de théories et de calculs scientifiques sont entremêlés, Les chercheurs du NIST ont utilisé leur nouvelle valeur pour la violation du LPI pour calculer les variations de plusieurs "constantes" fondamentales de la nature, grandeurs physiques considérées comme universelles et largement utilisées en physique. Leurs résultats pour la masse du quark léger étaient les meilleurs jamais obtenus, tandis que les résultats pour la constante de structure fine concordaient avec les valeurs rapportées précédemment pour toute paire d'atomes.