Cette fois, c'était la partie gravitationnelle du décalage vers le rouge de la relativité générale; et la rigueur? Une étonnante meilleure qu'une partie sur 100 millions!
Comment Steven Chu (secrétaire américain à l'Énergie, bien que ce travail ait été effectué alors qu'il était à l'Université de Californie à Berkeley), Holger Müler (Berkeley) et Achim Peters (Université Humboldt de Berlin) ont battu le meilleur test de redshift gravitationnel précédent (en 1976, en utilisant deux horloges atomiques - une à la surface de la Terre et l'autre envoyée à une altitude de 10 000 km dans une fusée) par une stupéfiante 10 000 fois?
Par la dualité onde-particule exploitée et la superposition au sein d'un interféromètre atomique!
À propos de cette figure
: Schéma du fonctionnement de l'interféromètre atomique. Les trajectoires des deux atomes sont tracées en fonction du temps. Les atomes accélèrent en raison de la gravité et les raies oscillatoires représentent l'accumulation de phase des ondes de matière. Les flèches indiquent les temps des trois impulsions laser. (Gracieuseté: Nature).
Le redshift gravitationnel est une conséquence inévitable du 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 à partir d'une horloge sur le plancher de l'ascenseur seront décalées vers le rouge lorsque l'ascenseur accélère vers le haut, ce qui signifie que cette horloge semble fonctionner plus lentement lorsque ses flashs 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 va 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 se déplacera lentement.
La confirmation de cet effet soutient l'idée que la gravité est la géométrie - une manifestation de la courbure de l'espace-temps - parce que l'écoulement du temps n'est plus constant dans tout l'univers mais varie en fonction de la distribution des corps massifs. Il est important d'explorer l'idée de la courbure de l'espace-temps lors de la distinction entre 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.
Le redshift 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 il est effectué dans l'univers) est le moins bien confirmé des trois types d'expérience qui soutenir le principe d'équivalence. 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 redshift gravitationnel n'avait été confirmé auparavant qu'avec une précision de 7 × 10-5.
En 1997, Peters a utilisé des techniques de piégeage au laser développées par Chu pour capturer les atomes de césium et les refroidir à quelques millionièmes de degré K (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 mesurer la chute libre gravitationnelle.
Maintenant, Chu et Müller ont réinterprété les résultats de cette expérience pour donner une mesure du redshift gravitationnel.
Dans l'expérience, chacun des atomes a été exposé à trois impulsions laser. La première impulsion a placé l'atome dans une superposition de deux états également probables - soit en le laissant seul ralentir, puis retomber sur Terre sous l'effet de la gravité, ou lui donner un coup de pied supplémentaire pour qu'il atteigne une plus grande hauteur avant de descendre. Une deuxième impulsion a ensuite été appliquée au bon moment afin de 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 gravitationnelle telle qu'expérimentée par les deux états existant à des hauteurs différentes au-dessus de la surface de la Terre se manifesterait comme un changement dans la phase relative des deux états.
La vertu de cette approche est la fréquence extrêmement élevée d'une onde de Broglie d'un atome de césium - environ 3 × 1025Hz. Bien que pendant les 0,3 s de chute libre, les ondes de matière sur la trajectoire supérieure aient connu un temps écoulé de seulement 2 × 10-20s plus que les ondes sur la trajectoire inférieure, l'énorme fréquence de leur oscillation, combinée à la capacité de mesurer les différences d'amplitude d'une seule partie sur 1000, a permis aux chercheurs de confirmer le redshift gravitationnel avec une précision de 7 × 10-9.
Comme le dit Müller, «Si le temps de la chute libre était étendu à l'âge de l'univers - 14 milliards d'années - la différence de temps entre les routes supérieure et inférieure ne serait que d'un millième de seconde, et la précision de la mesure serait être 60 ps, le temps qu'il faut à la lumière pour parcourir environ un centimètre. "
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 valeur à 1 m, il devrait être possible de détecter les ondes gravitationnelles, prédites par la relativité générale mais pas encore directement observées.
Sources: Physics World; l'article est dans le numéro du 18 février 2010 de Nature
