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Une horloge si précise qu’elle peut mesurer la gravité

On voit une série de rayons laser rouges, jaunes et verts qui sont reflétés et passent à travers divers instruments.
Une des horloges atomiques de l'Institut national des normes et de la technologie des États-Unis qui utilise des lasers et des atomes d'ytterbium. Photo: N. Phillips/NIST
Radio-Canada

Pour mesurer le temps aux limites de la physique, des scientifiques ont perfectionné des horloges atomiques qui possédaient déjà une précision remarquable. Leur nouvelle variante de ces appareils possède une stabilité si grande qu'elle pourra mesurer les distorsions de l'espace-temps.

Un texte de Renaud Manuguerra-Gagné

Notre monde moderne est obsédé par le passage du temps, bien que cette obsession soit relative à notre occupation. Pour la vaste majorité de la population, lire l’heure sur une montre ou un cellulaire est suffisant.

Si l’on est un astrophysicien cherchant à comprendre les trous noirs, une précision encore plus poussée sera toutefois nécessaire.

La création d’horloges plus précises n’a rien d’exceptionnel. De telles améliorations apparaissent à intervalles réguliers dans la littérature scientifique. Or, l’annonce qui vient d’être faite par des chercheurs de l’Institut national des normes et de la technologie aux États-Unis change la donne.

Ces derniers ont développé une horloge qui a fracassé les records de stabilité, de reproductibilité et d’incertitude, caractéristiques qui servent à établir la précision des horloges atomiques. Sa précision est telle (Nouvelle fenêtre) qu’elle pourrait même mesurer l’influence de la gravité terrestre sur le cours du temps!

Vivre au rythme de l’atome

Toutes les horloges atomiques fonctionnent selon un même principe. Des atomes, maintenus sous vide, sont exposés à certains types de radiations électromagnétiques, telles que des radiations micro-ondes. Ces ondes transmettront une partie de leur énergie aux électrons qui circulent autour des atomes, leur faisant gagner, puis perdre cette énergie à un rythme incroyablement régulier.

Cette oscillation stable d’électrons qui transitent par des niveaux d’énergie élevés et faibles est ce qui permet de définir le temps, un peu comme les battements réguliers d’une horloge à pendule, mais à une échelle immensément plus précise.

Chaque atome oscillera selon un rythme qui lui est propre, et le type d’atome utilisé est ce qui déterminera la précision d’une horloge. En 1967, le Système international d’unités a défini la durée d’une seconde par 9 milliards d’oscillations d’un atome de césium-133.

Cette précision sert de standard à notre système GPS et à l’ensemble des télécommunications mondiales.

Malgré tout, cette horloge n’est pas parfaite et perdra l’équivalent d’une seconde tous les 200 millions d’années. Les chercheurs, en quête de mieux, ont depuis délaissé les atomes de césium pour un atome dont la fréquence d’oscillation est encore plus courte : l’ytterbium.

En maintenant environ 1000 de ces atomes en place grâce à des rayons laser, les chercheurs ont réussi à obtenir une mesure du temps presque 100 fois plus précise que celle des horloges au césium. Cette précision est telle que, selon les chercheurs, cette horloge ne perdrait qu’une seconde tous les 14 milliards d’années, une période qui dépasse l’âge actuel de l’Univers.

Aux extrêmes de l’espace-temps

Une horloge de cette précision est bien sûr au-delà des besoins humains. Ce n’est toutefois pas dans ce contexte qu’elle sera utile, mais pour mesurer l’influence de la gravité.

L’une des plus grandes découvertes d’Albert Einstein est que le temps est relatif et peut être influencé, d’un observateur à l’autre, par la vitesse et la gravité.

Plus quelqu’un s’approche de la vitesse de la lumière, ou s’approche d’un objet massif comme un trou noir, plus le temps passera lentement comparativement à quelqu’un qui serait resté sur Terre; ce concept a largement été illustré par des films de science-fiction, comme Interstellaire.

Or, même une planète comme la Terre peut exercer cet effet. Plus on se rapproche de son centre, plus le temps sera ralenti, alors qu’à l’inverse, plus on s’élève, plus il sera accéléré. Ces changements sont toutefois infimes et totalement imperceptibles pour un humain.

Toutefois, pour l’horloge la plus précise du monde, cette différence sera mesurable. La précision des horloges atomiques utilisant l’ytterbium permettra de détecter l’infime influence de la gravité terrestre. Si l’on positionnait ces dernières partout autour de la Terre, il serait techniquement possible de mesurer les différences de la gravité terrestre au centimètre près.

Du même coup, ces horloges pourraient être utiles non seulement pour détecter des phénomènes célestes tels que des ondes gravitationnelles ou de la matière noire, mais aussi pour signaler des phénomènes terrestres comme les mouvements du sol engendrés par les tremblements de terre ou les éruptions volcaniques.

Selon les chercheurs, il sera toutefois nécessaire de raffiner nos connaissances sur la gravité terrestre avant de réussir à faire bon usage d’appareils aussi précis.

Science