Une horloge en mouvement retarde par rapport à une horloge immobile : cette « dilatation du temps » est un effet bien connu dans le cadre de la théorie de la relativité restreinte, qui ne considère pas les mouvements accélérés. Un autre effet de ralentissement du temps est le « décalage gravitationnel vers le rouge » prédit par la relativité générale, théorie qui assimile la gravitation à une courbure de l'espace-temps. En réinterprétant une expérience de physique atomique effectuée il y a une dizaine d'années, trois physiciens auraient vérifié ce décalage gravitationnel avec une précision inégalée. Il s'agit de Holger Müller, physicien à Berkeley en Californie, Achim Peters, de l'Université Humboldt à Berlin, et de Steven Chu, prix Nobel en 1997 et actuellement secrétaire d'État pour l'énergie aux États-Unis.
Une traduction du décalage gravitationnel vers le rouge est qu'une horloge soumise à un champ de gravitation retarde par rapport à une horloge identique en l'absence de gravité. Pour un photon, cela signifie que sa fréquence est ralentie, ou que sa longueur d'onde est augmentée, d'où l'expression « décalage vers le rouge ». L'effet est infime dans le champ de gravité terrestre, et il est donc difficile à mesurer directement. La mesure directe la plus précise remonte à 1976 et a consisté à comparer deux horloges atomiques, l'une au sol et l'autre emportée par une fusée à une altitude de 10 000 kilomètres ; la précision atteinte était de 7 x 10-5.
L'expérience réalisée par A. Peters en 1999 au laboratoire de S. Chu était très différente et avait pour but de mesurer l'accélération de la pesanteur. Elle mettait en jeu les propriétés ondulatoires ou quantiques des atomes. Les lois de la physique quantique stipulent qu'à tout corpuscule est associée une onde, dont la longueur d'onde est d'autant plus petite que la masse est élevée. La fréquence correspondante varie en sens inverse et est extrêmement élevée pour un objet tel qu'un atome. Ainsi, celle de l'onde associée à un atome de césium dépasse les 1025 hertz. Une fréquence aussi élevée est ce qui permet, dans l'expérience réalisée, ou plus exactement dans sa réinterprétation, d'effectuer une mesure de nature temporelle très précise.
Lors de son expérience, A. Peters avait fait interférer deux ondes atomiques identiques ayant suivi des chemins un peu différents, la trajectoire de l'une ayant atteint une altitude différente, donc un champ de gravité différent. L'interférence des deux ondes indique le déphasage de leurs oscillations, donc la différence entre les temps écoulés pour chacune. On en déduit le décalage temporel dû au champ gravitationnel.
Dans cette expérience, A. Peters avait piégé et refroidi à une température proche du zéro absolu un nuage d'environ un million d'atomes de césium. Puis il avait soumis le nuage atomique à trois impulsions d'un couple de faisceaux laser verticaux de fréquence, durée et intensité bien ajustées.
La première impulsion dédouble l'onde atomique de telle façon que les deux ondes résultantes suivent des trajectoires différentes. La deuxième impulsion laser envoie les atomes ayant suivi la trajectoire haute vers le bas, et les autres vers le haut, afin que les deux ondes se rejoignent. La troisième impulsion mesure l'interférence atomique, c'est-à-dire le déphasage des deux ondes atomiques.
L'intervalle de temps entre les impulsions était de 160 millisecondes ; et la différence maximale d'altitude entre les deux trajectoires atomiques n'était que de 0,12 millimètre ! Une différence minuscule, mais qui donne lieu à un décalage gravitationnel vers le rouge mesurable, correspondant à une différence de temps d'environ 2 x 10-20 seconde, sur un parcours d'une durée d'environ 0,3 seconde. Cette différence de temps a été déduite avec une précision d'environ 10-29 seconde. L'effet prédit par la relativité générale a été ainsi vérifié avec une précision de sept milliardièmes, soit une amélioration d'un facteur 10 000 par rapport aux mesures de 1976.
