Des scientifiques ont utilisé la Tokyo Skytree pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein. Tokyo Skytree est une tour de radiodiffusion située à Tokyo et faisant 634 mètres de haut. À son inauguration en 2012, elle était la plus haute structure autoportante au monde. En réalité, le but des chercheurs était ici surtout de tester la précision de leur méthode et de leurs instruments.
Dans le cadre d’une nouvelle expérience de vérification de la validité de la théorie de la relativité générale d’Einstein, des scientifiques du RIKEN Center for Advanced Photonics and Cluster for Pioneering Research, ainsi que d’autres collègues, ont utilisé deux horloges à réseau optique finement réglées : une située à la base de la tour Tokyo Skytree et l’autre sur le plancher de l’observatoire, situé à 450 mètres de hauteur, dans le but d’effectuer de nouvelles mesures ultraprécises de l’effet de dilatation temporelle.
En effet, Einstein a émis l’hypothèse que la déformation de l’espace-temps par la gravité était causée par des objets massifs. Selon cette théorie, le temps s’écoule plus lentement dans un champ gravitationnel profond que dans un champ moins profond. Cela signifie que le temps s’écoule un peu plus lentement à la base de la tour Skytree qu’à son sommet. Mais la difficulté de réellement mesurer le changement de la vitesse à laquelle les horloges fonctionnent dans différents champs de gravité, est que la différence est extrêmement faible.
De ce fait, effectuer un test rigoureux de la théorie de la relativité nécessite soit une horloge très précise, soit une grande différence de hauteur. En dehors des laboratoires, les meilleurs tests ont été effectués par satellite, à des altitudes différant de plusieurs milliers de kilomètres.
Des horloges à réseau optique transportables
Les scientifiques de RIKEN ainsi que leurs collaborateurs ont entrepris de développer des horloges à réseau optique transportables qui pourraient effectuer des tests de relativité précis, mais cette fois, sur le terrain (et sur la terre ferme). Le but ultime, cependant, n’est pas de prouver ou d’infirmer la théorie d’Einstein…
Selon Hidetoshi Katori de RIKE et de l’Université de Tokyo, qui a dirigé le groupe de recherche, « une autre application majeure des horloges ultraprécises est de détecter et d’utiliser la courbure de l’espace-temps générée par la gravité. Les horloges peuvent effectivement distinguer de petites différences d’altitude, ce qui nous permet de mesurer le gonflement du sol dans des endroits tels que les volcans actifs ou la déformation crustale, ou encore de définir la référence pour la hauteur. Nous voulions démontrer que nous pouvions effectuer ces mesures précises n’importe où en dehors du laboratoire, avec des appareils transportables », explique-t-il. « Il s’agit de la première étape vers la transformation d’horloges ultraprécises en appareils du monde réel », a-t-il ajouté.
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Ici, la clé de l’exploit d’ingénierie était de miniaturiser les grandes horloges utilisées en laboratoire afin de pouvoir les transporter sur le terrain et également de les rendre insensibles aux bruits environnementaux (tels que les changements de température, les vibrations et les champs électromagnétiques).
Lors de cette expérience, chacune des horloges était enfermée dans une boîte à blindage magnétique d’environ 60 centimètres d’épaisseur de chaque côté. Divers dispositifs laser ainsi que des contrôleurs électroniques ont été nécessaires pour piéger et analyser les atomes confinés. Ces outils étaient logés dans deux boîtiers montables en rack. Les deux horloges, quant à elles, étaient reliées par une fibre optique dans le but de mesurer la note de battement.
En parallèle, les scientifiques ont effectué une télémétrie laser et une mesure de la gravité pour évaluer indépendamment la différence de champ gravitationnel pour les deux horloges. Les chiffres qu’ils ont obtenus par la mesure ont une nouvelle fois validé la théorie d’Einstein. Mais selon Katori, ce qui est essentiel à retenir de cette expérience, c’est qu’ils ont démontré la validité de la théorie avec une précision comparable aux meilleures mesures spatiales, mais en utilisant des appareils transportables opérant au sol.
À l’avenir, l’équipe de scientifiques prévoit de comparer des horloges situées à des centaines de kilomètres de distance pour surveiller le soulèvement et la dépression à long terme du sol, l’une des applications potentielles des horloges ultraprécises.