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Par Jean-François Dars & Anne Papillault

photo André Kertész

AROUND THE CLOCK / LA GRAVITÉ DU TEMPS

Time doesn’t escape gravity which doesn’t escape time.

Le temps n’échappe pas plus à la gravitation que la gravitation n’échappe au temps.

Daniel Kleppner
18 Jan, 2016
Tapuscrit...

Dan Kleppner – En design, les courbes offrent beaucoup de possibilités. Je fais mes bibliothèques avec des superellipses en haut des montants, et pour le berceau que j’ai fait, chaque languette est une superellipse. C’est une courbe superbe, je vous la recommande. J’adore travailler le bois, j’adore dessiner ! Ce même instinct de création d’objets marche aussi en physique expérimentale ! J’aime construire des appareils, c’est un plaisir de monter un appareil qui démarre ! Mais même quand une expérience ne fait pas ce qu’on lui demande, si l’appareillage fonctionne, c’est un intense motif de satisfaction ! Dans un laboratoire, c’est toujours la fête quand on branche un appareil et qu’il commence à marcher pour la première fois !

Ma physique se définit en général comme physique atomique. J’ai commencé par des débuts merveilleux, un coup de chance, je sortais d’un collège de la région et je suis allé à l’université de Cambridge, grâce à une bourse Fulbright, et mon directeur d’études m’a parlé de ses recherches, sur un sujet nouveau, appelé résonance magnétique de faisceaux moléculaires, à partir d’une idée de I. I. Rabi, l’inventeur de cette technique, une technique qui permettrait de construire une horloge atomique. Une horloge atomique si précise qu’on pourrait y lire les effets de la gravitation sur le temps, selon la prédiction d’Einstein. Ça m’a vraiment étonné, cette idée que la gravitation puisse avoir un effet sur le temps, j’ai eu beaucoup de mal rien qu’à la visualiser. Bon, l’année d’après, je suis allé à Harvard pour commencer mes études supérieures, et j’ai eu la chance d’entrer dans l’équipe de recherche de Norman Ramsey, un ancien élève de Rabi et aussi un grand physicien, il avait l’idée d’un nouveau type d’horloge atomique et m’a demandé si ça me plairait d’essayer ! C’était une bonne idée et nous avons donc commencé à construire cette horloge, ça s’appelle un maser à hydrogène ! C’était à l’époque l’une des horloges atomiques les plus précises au monde. Et de fait, on a fini par faire une expérience qui montrait les effets de la gravitation sur le temps.

J’ai toujours eu un petit faible pour le temps, un concept très inhabituel en physique… Mais quelle que soit la nature du temps, on arrive à le mesurer de mieux en mieux, voilà des dizaines d’années que les horloges n’arrêtent pas de s’améliorer. C’est de cette amélioration des horloges qu’est sorti, bien sûr, le GPS, et je suis frappé par l’idée que cette technologie est issue des tests sur un sujet particulièrement inutile, c’est-à-dire la relativité générale d’Einstein, et c’est un très bon argument pour le financement de la recherche fondamentale ! Je veux dire, sans ces avancées en métrologie des horloges, déjà, Internet ne pourrait pas fonctionner ! La métrologie, pour beaucoup de gens, c’est un sujet ennuyeux, mais en fait ça ne l’est pas du tout. Mieux on mesure, plus on voit ! Et maintenant, place aux horloges, les nouvelles horloges sont capables de détecter le décalage gravitationnel vers le rouge sur quelques centimètres de hauteur ! C’est proprement extraordinaire, avec cette conséquence extraordinaire qu’il nous faut repenser l’idée que nous nous faisons du temps. Il n’est vraiment pas possible de séparer le temps de la gravitation à ce stade.

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Transcript...

Dan Kleppner – In design curves, you have a lot of latitude on how to make it. The bookcases I make use superellipses, at the top of the columns, and the cradle that I built, each of those tabs is in a form of superellipse. It’s a wonderful curve, I recommend it. But I enjoy woodworking, I enjoy designing! The same instincts for making things, work in experimental physics! I enjoy building apparatus, it’s lovely to make a piece of apparatus which starts functioning. But even if an experiment doesn’t do what you want it to do, if the apparatus functions, that’s a great source of satisfaction! And in a laboratory, there is always a lot of jubilation when the apparatus is first turned on and first works!

My physics, it’s generally classified as atomic physics. I got off to a wonderful start, I share good luck, I graduated from college in this country and I went to Cambridge University on a Fulbright Fellowship, and I had a tutor there in physics, and he told me about his research, a new subject called molecular beam magnetic resonance, and about a proposal by I. I. Rabi, who invented that technique, that it might be possible to use this technique to make an atomic clock. And the atomic clock might be so precise that you could see the effect of gravity on time, that Einstein predicted. And I found that utterly astonishing, the thought that gravity affects time, I had a hard time, just in visualizing that. Well, the next year I went to Harvard University to start graduate work, and I had the good luck to join the research group of Norman Ramsey, he was a student of Rabi, he was a great physicist also and he had an idea for a new type of atomic clock, and asked whether I would like to try to do it! And the idea did make sense, so we went on and built this clock, it’s called the hydrogen maser! And at the time it was among the most precise atomic clocks in the world. And in fact eventually an experiment was done using the maser that did show the effect of gravity on time.

But I’ve always had a soft spot for time, it’s a very unusual concept in physics… But whatever time is, we’re able to measure it better and better, for many decades the clocks gradually improve more and more. Out of this growth of these clocks of course came the Global Positioning System, and to me it’s very startling that that technology grew out of a test on the most useless thing you can think of namely, Enstein’s theory of general relativity, and it makes a very good argument for why it’s worth investing in basic science! I mean, without these advances in clock metrology, the Internet would not work, for one thing! Metrology sounds to many people like a rather dull subject. But it really isn’t. That when you measure things better, you see more! And now, the door has been opened to clocks, these new clocks are good enough to see the gravitational redshift for a few centimeters in height! So, that’s quite extraordinary, and it’s had an extraordinary result, we gotta rethink just what we mean by time! You can’t really separate time from gravity at this point.

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A quantum physicist, Professor Emeritus of Physics at MIT, Daniel Kleppner has always been equally attracted by cabinet woodworking and by the cold atoms physics. His achievements in the latter, a field where some of the most counterintuitive Einstein’s thought-experiments could be tested, were such as creating a very precise clock, the first hydrogen maser,(together with Norman Ramsey) an later to the first Hydrogen Bose-Einstein Condensate. (with Thomas Greytak) He was awarded the Wolf Prize in Physics in 2005.

Physicien quantique, professeur émérite de physique au MIT, Daniel Kleppner s’est toujours senti autant attiré par le travail d’ébénisterie que par la physique des atomes froids. Ses succès dans ce dernier domaine, où il est possible de vérifier certaines des expériences de pensée les plus contre-intuitives d’Einstein, ont été en particulier la création d’une horloge d’une précision extrême, le premier maser à hydrogène (avec Norman Ramsey), et plus tard au premier condensat de Bose-Einstein dans l’hydrogène (avec Thomas Greytak). Il est lauréat du prix Wolf de physique 2005.