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Une horloge atomique ultraprécise pour mesurer la gravité terrestre

Des chercheurs américains de l’Institut national des normes et de la technologie ont développé un nouveau type d' horloge atomique qui repousse les limites de précision et de stabilité. Sa précision est telle qu’elle pourrait même mesurer l’influence de la gravité terrestre sur le cours du temps !

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 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. 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.

On sait, depuis la théorie de la relativité d' Einstein, 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.

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.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Nature

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