Quelle est la généralité de la théorie de la relativité générale ?

Peu importe qu'il s'agisse d'une plume, d'une pomme ou d'une brique : dans le vide, lorsqu'il n'y a plus de frottement et que seule la gravitation agit, tous les corps tombent à la même vitesse. La théorie de la relativité générale d'Einstein, en particulier le principe d'équivalence, prévoit cela et cela correspond à la vision actuelle de la physique. Et pourtant, il existe des doutes – du moins en ce qui concerne les extrêmes. Des expériences spatiales avec des capteurs quantiques doivent désormais apporter des éclaircissements.

« À l’échelle cosmique des galaxies, les lois de la gravitation n’expliquent pas pourquoi l’univers a évolué comme nous le connaissons », explique Andreas Wicht, chef du groupe de métrologie laser à l’Institut Ferdinand-Braun, Institut Leibniz pour la technologie de haute fréquence (FBH). « Et pour l’échelle microscopique, en dessous de cent micromètres, il n’y a même pas de vérification expérimentale de la validité de la loi gravitationnelle telle que nous la connaissons. »

Vérifier la validité du principe d’équivalence au niveau atomique est l’objectif du projet commun QUANTUS III, auquel participent les universités de Hanovre, Hambourg, Ulm, Mayence, Darmstadt, Brême et la HU-Berlin ainsi que le FBH. « Concrètement, nous nous demandons : les atomes de rubidium tombent-ils aussi vite que ceux de potassium ? » explique Andreas Wicht, qui développe avec son équipe au FBH la plateforme technologique laser pour un « interféromètre atomique », un capteur quantique qui doit bientôt être utilisé dans l’espace.

Depuis la fin des années 1980, des « expériences de chute d’atomes » sont menées à l’échelle du laboratoire. Mais les différences supposées dans les vitesses de chute sont si minimes – elles se situent au mieux dans la dixième décimale – qu’il faut de très longues durées de mesure pour des mesures suffisamment sensibles. Seules dans l’espace, ces mesures peuvent être atteintes. Mais pour cela, les tables de mesure d’environ 2 x 2 mètres sont beaucoup trop encombrantes. Depuis le milieu des années 1990, le Centre spatial allemand (DLR) soutient donc des expériences et des technologies associées. Des expériences ont déjà été réalisées sur la tour de chute de Brême, qui, avec une hauteur d’un peu plus de 100 mètres, permet une chute libre de quatre secondes dans un tube à vide. « Cela a permis de montrer que l’expérience fonctionne en principe. Mais le temps de mesure est toujours beaucoup trop court. »

Comment fonctionne cette « expérience de chute » ? « Les atomes agissent quasi comme des capteurs », explique Wicht. En absence de gravité, les atomes ainsi que l’appareil de mesure sont en chute libre. Tout d’abord, le mouvement thermique des deux types d’atomes est ralenti à l’aide d’impulsions lumineuses de fréquence déterminée, jusqu’à ce que les atomes soient presque immobiles, car ils sont refroidis jusqu’au zéro absolu. Avec d’autres impulsions laser, les atomes sont manipulés de manière à se trouver dans des états spécifiques, qui ne peuvent être décrits qu’avec la physique quantique, d’où leur nom de capteurs optiques quantiques. L’effet des impulsions laser, et donc le résultat de la mesure du capteur optique quantique, dépend très sensiblement de la fréquence et de la phase des impulsions lumineuses. Si maintenant ces deux types d’atomes étaient accélérés différemment, la fréquence et la phase des impulsions laser devraient être ajustées différemment pour chacun en fonction de l’effet Doppler résultant de cette accélération différente. « Il faut mesurer cette différence, s’il en existe une », explique Wicht.

Au FBH, un « ensemble d’outils à base de lumière » a été développé à cet effet, une sorte d’orgue lumineux synchronisé composé de différentes diodes laser à bande spectrale étroite, de micro-miroirs et d’autres composants optiques miniaturisés. « Nous pouvons intégrer deux de ces puces sur un substrat en céramique. Autour, des micro-optiques sont construites », raconte Wicht. « Le système laser complet sera constitué de six ou huit de ces modules et sera environ 1000 fois plus petit en volume qu’un produit classique. » Il sera hermétiquement fermé, seul le guide d’onde lumineux menant à la chambre d’expérimentation dépassera.

Sur la tour de chute de Brême, le système a déjà prouvé sa compatibilité avec les fusées. En avril 2015, des expériences doivent être menées sur une fusée à vol d’altitude, qui atteindra environ 100 kilomètres. Jusqu’à la rentrée dans l’atmosphère terrestre, une fenêtre de six minutes d’apesanteur est disponible pour l’expérience. Plus tard, de telles expériences seront réalisées sur un satellite ou la station spatiale ISS.

Une entreprise assez coûteuse, juste pour contredire Einstein, non ? rit Wicht. « On pourrait le penser. Mais lorsque le GPS a été développé, personne n’aurait imaginé qu’il serait aujourd’hui disponible dans chaque smartphone. Et ainsi, au-delà de l’expérience atomique, la technologie des capteurs quantiques pourrait ne pas devenir une application courante, mais au moins une application technique spécifique. » Outre la mesure de vitesse et d’accélération, on peut également effectuer des mesures de densité ou des déterminations très précises de localisation sur Terre.

Le gouvernement britannique a récemment investi 270 millions de livres dans la commercialisation des capteurs quantiques. Alors qu’aujourd’hui, pour une localisation précise, il faut accéder à un satellite GPS, qui pourrait tomber en panne, les capteurs quantiques naviguent sans GPS, ils ont simplement besoin d’un point de référence connu. Contrairement au GPS, ils fonctionnent aussi en profondeur dans les océans pour les sous-marins. « La deuxième grande application sera l’exploration », ajoute Wicht. « Les atomes dans le capteur « tombent » plus rapidement au-dessus de gisements miniers qu’au-dessus de roches normales. Les réserves de pétrole et les nappes phréatiques peuvent également être explorées. »

Le Royaume-Uni investit, les États-Unis prévoient des expériences sur l’ISS – et que fait l’Allemagne ? Le comité de programme pour les technologies optiques a certes identifié, dans le cadre de l’agenda Photonique 2020 pour le BMBF, la capteur quantique comme une technologie d’avenir prometteuse. « Mais ce n’est que sur papier », dit Wicht. « Ce dont nous avons besoin à la fin, c’est d’argent pour la recherche supplémentaire, d’une décision politique. » Pour l’instant, l’Allemagne se maintient plutôt bien, car le DLR soutient ces travaux. « Mais nous devons faire attention à ne pas perdre notre bonne position. »

Pour les chercheurs fondamentaux comme Andreas Wicht, le commerce n’est pas leur priorité. Leur objectif, c’est la physique pure. Albert Einstein aurait probablement souri en pensant que la Terre ne suffit pas à saisir les limites de ses idées brillantes.