No device could prove our theory of gravity wrong... until now

Ce document décrit une expérience scientifique audacieuse visant à tester la dilatation du temps prédite par la relativité générale d'Einstein avec une précision sans précédent. L'expérience consiste à placer deux horloges atomiques d'une extrême précision à des altitudes différentes : l'une à Boulder, Colorado, et l'autre à 4 000 mètres d'altitude dans un observatoire. L'objectif est de mesurer la différence de passage du temps due à la gravité, car selon la relativité générale, le temps devrait s'écouler plus rapidement en altitude. Les horloges atomiques sont essentielles à cette expérience en raison de leur précision incroyable. Les horloges au césium, qui définissent la seconde depuis 1967, ont une précision d'environ une partie sur 10 puissance 16. Cependant, pour tester la relativité générale à des échelles quantiques et déceler d'éventuelles déviations, une précision encore plus grande est nécessaire. C'est là qu'interviennent les horloges à ytterbium, qui résonnent dans la bande optique et atteignent une précision d'une partie sur 10 puissance 18. Ces horloges sont si précises qu'elles ne gagneraient ni ne perdraient une seconde sur une période plus longue que l'âge de l'univers. La mise en place de ces horloges à ytterbium présente des défis techniques considérables. Les atomes d'ytterbium doivent d'abord être transformés en gaz puis refroidis à des températures proches du zéro absolu grâce à des lasers. Ensuite, ils sont piégés dans des "réseaux optiques" créés par des lasers, limitant leur mouvement et permettant des mesures précises. Un autre défi majeur est de comparer les mesures des deux horloges situées à des altitudes différentes. L'idée initiale d'un câble à fibre optique est abandonnée en raison de la difficulté d'installation et des risques de dommages. À la place, le signal de l'horloge de montagne est transmis par faisceau optique vers un site proche de Denver, puis acheminé par fibre optique vers l'horloge de laboratoire. La précision requise est telle qu'il faut viser une cible de seulement quelques microns à 80 kilomètres de distance, un exploit d'ingénierie remarquable. L'expérience sur le terrain a également dû surmonter des conditions météorologiques extrêmes, comme les tempêtes de foudre, la grêle et la neige, ainsi que la présence d'insectes envahissants. La courte fenêtre météorologique estivale impose une contrainte de temps significative. Au-delà des tests terrestres, des équipes explorent la possibilité d'envoyer des horloges optiques dans l'espace pour tester la gravité à des échelles encore plus fines. Cela implique de développer des systèmes capables de maintenir un lien optique avec une cible mobile, comme un satellite. Des essais sont réalisés avec des hélicoptères pour simuler ces scénarios, impliquant des miroirs spéciaux (miroirs "tip-tilt") capables de compenser les fluctuations atmosphériques et de maintenir le faisceau laser aligné. Un aspect crucial de la comparaison des horloges optiques est la mesure de leur signal. Les horloges optiques oscillent à des fréquences extrêmement élevées (des centaines de trillions de fois par seconde), ce qui dépasse largement les capacités des appareils électroniques actuels. Pour surmonter ce problème, les scientifiques utilisent des "peignes de fréquences optiques". Ces peignes, constitués de lasers générant des impulsions lumineuses extrêmement courtes, créent un spectre de fréquences parfaitement espacées, agissant comme une règle de mesure. En comparant le signal de l'horloge optique à ce peigne, il est possible de déduire sa fréquence avec une grande précision. Ce développement, réalisé par Theodor Hänsch et John Hall, leur a valu le prix Nobel. Les données préliminaires de l'expérience sur le terrain suggèrent que la relativité générale d'Einstein reste valide. Les horloges montrent une légère différence de rythme, conforme aux prédictions. Cependant, l'analyse des données est toujours en cours, et les chercheurs recherchent des déviations infimes, de l'ordre d'un millionième de la pente prédite, qui pourraient indiquer une nouvelle physique. L'objectif est d'atteindre une précision approchant les 10 parties par million pour tester la relativité générale de manière plus approfondie. L'étape suivante envisagée est d'établir un lien avec l'espace.