Voici une expérience de physique magnifique. Une de celles qui va changer notre compréhension du monde et de nous-mêmes. Une expérience qui puise à la fois aux sources de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité et qui nous donne la chance de découvrir la matière encore un peu plus en mettant en lumière le lien insoupçonné qu’elle entretient avec le temps.

Il faut mettre cette expérience – qui montre que l’on peut calculer la masse de la matière en se servant de ce que nous pourrions nommer son horloge interne – au crédit d’une équipe de redoutables mais bigrement savants chercheurs de l’université de Berkeley en Californie.

Ils sont partis des travaux de deux des plus grands physiciens du XXième siècle, Albert Einstein et Louis de Broglie. Leurs travaux ont permis de construire une chaine théorique qui relie la matière au temps. Le fameux E=mc2 d’Einstein prouve l’équivalence entre matière et énergie (c’est le mécanisme des étoiles ou encore celui, plus triste, de la bombe atomique). Louis de Broglie, quant à lui, est parti de l’équation d’Einstein pour montrer, au travers de ses travaux sur la théorie des quanta, que la dualité onde-particule n’était pas réservée à la lumière : les composants de la matière avaient aussi un caractère ondulatoire. Il reçu en 1929 le prix Nobel de Physique pour ses découvertes majeures dans notre compréhension de l’univers. S’il on agrège les deux découvertes cela nous apprend que la matière peut être décrite comme une onde, avec une fréquence proportionnelle à la quantité d’énergie contenue dans la matière, et donc à la masse de celle-ci. Mais voilà, qui dit fréquence dit… temps. L’on pourrait donc construire une horloge qui serait uniquement basée sur la fréquence d’un seul atome.

Néanmoins on pensait, jusqu’ aujourd’hui, que la mise en pratique de cette théorie était impossible compte-tenu de la fréquence excessivement élevée des atomes (de l’ordre de la dizaine de millions de milliards de milliards d’oscillations… par seconde !). Comme l’explique Holger Müller, un des chercheurs-auteurs de l’étude : « quand vous fabriquez une horloge de grand-père, il y a un balancier et un mécanisme qui compte les oscillations du balancier. (…) Mais il n’y avait aucun moyen de fabriquer un mécanisme pour une horloge à ondes de matière, parce que la fréquence de leurs oscillations est 10 milliards de fois plus élevée que les oscillations de la lumière visible. »

Nous voici donc bloquer dans une impasse technologique où nous aurions pu rester longtemps si le génial Holger Müller et toute son équipe n’avaient pas eu une idée audacieuse basée sur une surprenante conséquence de la théorie de la relativité restreinte d’Einstein (toujours le même) : la dilatation du temps. Car oui, c’est étrange, mais quand un objet se déplace le temps s’écoule moins vite pour lui que s’il était immobile. Le temps est relatif et pas absolu. Cette théorie a d’ailleurs été confirmée par des expériences comparant l’heure indiquée par des horloges atomiques embarquées dans des avions à celle donnée par des horloges restées au sol. Rendez-vous compte que des programmes informatiques ultrasophistiqués embarqués dans des satellites (notamment ceux du système GPS) corrigent en permanence les données qu’ils envoient pour tenir compte de la dilatation du temps et ainsi nous donner, où que nous soyons, notre temps.

Les chercheurs de Berkeley ont donc combiné les ondes de matières émises par des atomes en mouvement avec des ondes provenant d’atomes immobiles. Le dispositif a mis en évidence le léger décalage entre les deux qui lui (merci Einstein) est mesurable. Cette expérience conclut que grâce aux possibles calculs de cette différence on peut utiliser un seul atome de matière pour mesurer le temps. Mais la réciproque est vraie aussi ! Grâce à l’horloge décrite dans l’expérience on peut mesurer la masse de la matière avec une précision microscopique.

N’est-il pas fascinant de se dire que le temps est une donnée de la matière et que la matière est une donnée du temps ?

Au delà de cette émerveillement philosophique les chercheurs de Berkeley pensent que leur découverte pourrait être utile à leurs collègues métrologues (c’est à dire aux chercheurs étudiant la mesure) au moment où l’on réfléchit à une redéfinition d’un certain nombre des sept unités de bases et en particulier à l’unité de masse : le kilogramme.

Pauvre kilogramme qui, en effet, n’en n’est plus un. Tout au moins l’étalon en platine iridié qui est précieusement conservé au Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) à Sèvres, dans la banlieue parisienne ; de l’aveu même du Bureau : « en raison de l’accumulation inévitable de polluants sur les surfaces, le prototype international subit une contamination réversible de surface d’environ 1 microgramme par an en masse. » Toute les copies qui en on était faite, à travers le monde, qui servent de référence ne sont donc plus conforme avec l’étalon…

Les métrologues cherchent donc à se délivrer de cette référence matérielle pour en faire une pièce de musée comme le mètre étalon en 1960. Plusieurs solutions sont à l’étude et grâce aux travaux de l’équipe de Berkeley une nouvelle pointe le bout de son nez, peut-être plus sensible ou élégante mais certainement plus ambitieuse et novatrice. Car comme nous l’avons vu si le temps est une donnée de la matière et vice-versa alors pourquoi ne pas connecter directement le kilogramme à une autre unité que nous pouvons mesurer avec une précision d’ordre nanoscopique : la seconde.

Pierre Fruitier-Roth


Illustration de l’entête. Horloge atomique réalisée pour l’expérience.


Retrouver la publication de l’édude dans la Magazine Science du 1er février 2013

A Clock Directly Linking Time to a Particle’s Mass
by Shau-Yu Lan, Pei-Chen Kuan1, Brian Estey, Damon English1, Justin M. Brown, Michael A. Hohensee, Holger Müller

Historically, time measurements have been based on oscillation frequencies in systems of particles, from the motion of celestial bodies to atomic transitions. Relativity and quantum mechanics show that even a single particle of mass m determines a Compton frequency ω0 = mc2/ℏ, where c is the speed of light and ℏ is Planck’s constant h divided by 2π. A clock referenced to ω0 would enable high-precision mass measurements and a fundamental definition of the second. We demonstrate such a clock using an optical frequency comb to self-reference a Ramsey-Bordé atom interferometer and synchronize an oscillator at a subharmonic of ω0. This directly demonstrates the connection between time and mass. It allows measurement of microscopic masses with 4 × 10−9 accuracy in the proposed revision to SI units. Together with the Avogadro project, it yields calibrated kilograms.

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