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Expérience d'Ives-Stilwell

L'expérience de Ives-Stilwell met à profit l'effet Doppler transverse (EDT) pour vérifier l'une des conséquences prédites par la relativité restreinte. C'est la première expérience qui confirme directement et de façon quantitative la dilatation du temps. Avec l'expérience de Michelson–Morley et l'expérience de Kennedy–Thorndike, elle constitue l'un des tests fondamentaux de la relativité restreinte[1]. Deux autres tests confirment l'effet Doppler relativiste : les expériences du disque tournant de Mössbauer et les expériences modernes d'Ives-Stilwell.

Description

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Historiquement, c'est Albert Einstein qui a décrit la première fois l'effet Doppler transversal (EDT) dans son article fondamental de 1905[2]. Plus tard, il suggère une expérience pour mesurer les fréquences relatives de la lumière en provenance d'une source lumineuse en mouvement relativement à un observateur. Herbert Eugene Ives et George R. Stilwell (même s'il s'agissait pour eux d'un mouvement de la source dans l'éther, dans le cadre de la « théorie de Lorentz et Larmor ») décident de faire l'expérience et imaginent une façon très ingénieuse de séparer les plus petits EDT des plus importants effets Doppler longitudinaux. L'expérience est réalisée en 1938[3] et a été refaite à de multiples reprises[4]. Des expériences semblables ont été menées plusieurs fois, avec une précision de plus en plus élevée, par Otting en 1939[5], par Mandelberg et al. en 1962[6] et par Hasselkamp et al. en 1979[7].

Ives observe qu'il est pratiquement impossible de mesurer l'EDT en ce qui concerne les rayons de lumière émis par les rayons anodiques, à angles droits de la direction du déplacement de ces rayons (comme Einstein l'a envisagé plus tôt), car l'influence de l'effet longitudinal est techniquement difficile à éliminer. Il met donc au point une méthode pour observer l'effet dans la direction longitudinale du déplacement des rayons anodiques. Si par hypothèse la vitesse de la lumière est constante par rapport à l'observateur (selon la théorie classique), alors le décalage Doppler observé pour les deux fréquences vers l'avant et vers l'arrière du corps en déplacement sera  , où v est la vitesse du corps. Selon la relativité restreinte, les deux fréquences sont aussi modifiées par un décalage vers le rouge (correction du facteur de Lorentz).

Lorsque cette relation est modifiée de manière à faire apparaître la longueur d'onde plutôt que la fréquence, la théorie classique prédit un décalage vers le rouge de   et un décalage vers le bleu de  . Si les trois fréquences (vers le rouge, vers le bleu et normale) sont inscrites sur une échelle linéaire, les trois devraient être uniformément espacées selon la théorie classique :

.|.....|.....|.

Mais si la lumière est décalée selon les prédictions de la relativité spéciale, la correction de Lorentz implique que les deux marques aux extrémités seront déplacées dans la même direction par rapport à la marque centrale :

..|....|......|

Ives et Stilwell découvrent un décalage notable du centre de gravité des trois marques et concluent que la relation de Doppler ne respecte pas la prédiction de la théorie classique. Leur approche présente deux avantages[7] :

  1. Il n'est pas nécessaire de connaître exactement la valeur de la vitesse (laquelle peut dépendre de la théorie) ;
  2. Il n'y a aucune nécessité de comprendre ou d’interpréter les effets de l'aberration angulaire, tel que pourrait l'exiger une analyse d'un vrai test transversal. Un tel test sera réalisé presque 40 ans plus tard par Hasselkamp, en 1979.

Expériences du disque tournant de Mössbauer

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Effet Doppler relativiste

Une confirmation plus précise de l'effet Doppler relativiste sera obtenu par les expériences du disque tournant de Mössbauer. Depuis une source située au centre d'un disque en rotation, des rayons gamma sont envoyés à un récepteur situé sur le bord du disque (dans certaines expériences, les deux sont inversés). À cause de la vitesse du récepteur, la fréquence d'absorption décroît si l'EDT existe. Cet effet a été observé à l'aide de l'effet Mössbauer. La déviation maximale pour la dilatation du temps est de  , une précision nettement plus élevée que le   obtenu lors des expériences d'Ives-Stilwell. De telles expériences ont été menées par Hay et al. en 1960[8], par Champeney et al. en 1963 et 1965[9],[10] et Kündig en 1963[11].

Isotropie de la vitesse de la lumière

Des expériences du disque tournant de Mössbauer ont servi à détecter une hypothétique anisotropie de la vitesse de la lumière. C'est-à-dire qu'un vent d'éther devrait perturber la fréquence d'absorption. Cependant, comme pour les autres expériences qui ont tenté de démontrer l'existence d'un tel vent (par exemple, l'expérience de Michelson-Morley), les résultats ont été négatifs, imposant une limite maximale de 3 à 4 m/s à la vitesse du vent. De telles expériences ont été menées par Champeney et Moon en 1961[12], Champeney et al. en 1963[13] et Turner et Hill en 1964[14].

Expériences modernes

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Horloges se déplaçant rapidement

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Une meilleure précision a été obtenue à l'aide d'expériences modernes qui répliquent en partie l'expérience d'Ives-Stilwell. Dans un anneau de stockage à ions lourds, tel le TSR de l'Institut Max-Planck de physique nucléaire, le décalage Doppler des ions de lithium qui voyagent à haute vitesse peut être mesuré en utilisant la spectroscopie de saturation. À cause de la lumière à hautes fréquences qu'ils émettent, ces ions sont assimilés à des horloges atomiques optiques de haute précision.

Auteur Année Vitesse Déviation maximale
de la dilation du temps
Grieser et al.[15] 1994 0,064c  
Saathoff et al.[16] 2003 0,064c  
Reinhardt et al.[17] 2007 0,064c  
Novotny et al.[18] 2009 0,34c  

Horloges se déplaçant lentement

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Également, des mesures sur la dilatation du temps ont été réalisées en étudiant des objets se déplaçant à des vitesses de tous les jours. Par exemple, Chou et al. en 2010 ont utilisé des ions d'aluminium stockés dans deux pièges électrostatique distincts pour former un couple d'horloges ultra stables. Les deux horloges étaient situées dans deux laboratoires distincts reliés par une fibre optique longue de 75 m, l'une au repos et l'autre en mouvement. Ces horloges atomiques optiques émettent de la lumière à des fréquences connues et la sensibilité des appareils donne une précision de 10−17. En conséquence, il a été possible de mesurer un décalage de la fréquence causé par la dilatation du temps de 10−16 à des vitesses relatives inférieures à 36 km/h (< 10 m/s)[19].

Notes et références

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(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Ives–Stilwell experiment » (voir la liste des auteurs).
  1. ↑ (en) Robertson, H. P., « Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity », Reviews of Modern Physics, vol. 21, no 3,‎ , p. 378–382 (DOI 10.1103/RevModPhys.21.378, Bibcode 1949RvMP...21..378R)
  2. ↑ (de) Albert Einstein, « Zur Elektrodynamik bewegter Körper », Annalen der Physik, vol. 17,‎ , p. 891-921 (DOI 10.1002/andp.19053221004, lire en ligne) [(en) lire en ligne]
  3. ↑ (en) H. E. Ives, « An experimental study of the rate of a moving atomic clock », Journal of the Optical Society of America, vol. 28, no 7,‎ , p. 215 (DOI 10.1364/JOSA.28.000215, Bibcode 1938JOSA...28..215I)
  4. ↑ Voir par exemple (en) H. E. Ives, « An experimental study of the rate of a moving atomic clock. II », Journal of the Optical Society of America, vol. 31, no 5,‎ , p. 369 (DOI 10.1364/JOSA.31.000369, Bibcode 1941JOSA...31..369I)
  5. ↑ (de) (en) Otting, G., « Der quadratische Dopplereffekt », Physikalische Zeitschrift, vol. 40,‎ , p. 681–687
  6. ↑ (en) Mandelberg, Hirsch I.; Witten, Louis, « Experimental verification of the relativistic doppler effect », Journal of the Optical Society of America, vol. 52, no 5,‎ , p. 529 (Bibcode 1962JOSA...52..529M)
  7. ↑ a et b D. Hasselkamp, « Direct observation of the transversal Doppler-shift », Zeitschrift für Physik A, vol. 289, no 2,‎ , p. 151–155 (DOI 10.1007/BF01435932, Bibcode 1979ZPhyA.289..151H)
  8. ↑ (en) Hay, H. J.; Schiffer, J. P.; Cranshaw, T. E.; Egelstaff, P. A., « Measurement of the Red Shift in an Accelerated System Using the Mössbauer Effect in Fe57 », Physical Review Letters, vol. 4, no 4,‎ , p. 165–166 (DOI 10.1103/PhysRevLett.4.165, Bibcode 1960PhRvL...4..165H)
  9. ↑ (en) Champeney, D. C.; Isaak, G. R.; Khan, A. M., « Measurement of Relativistic Time Dilatation using the Mössbauer Effect », Nature, vol. 198, no 4886,‎ , p. 1186–1187 (DOI 10.1038/1981186b0)
  10. ↑ (en) Champeney, D. C.; Isaak, G. R.; Khan, A. M., « A time dilatation experiment based on the Mössbauer effect », Proceedings of the Physical Society, vol. 85, no 3,‎ , p. 583–593 (DOI 10.1088/0370-1328/85/3/317)
  11. ↑ (en) Kündig, Walter, « Measurement of the Transverse Doppler Effect in an Accelerated System », Physical Review, vol. 129, no 6,‎ , p. 2371–2375 (DOI 10.1103/PhysRev.129.2371)
  12. ↑ (en) Champeney, D. C.; Moon, P. B., « Absence of Doppler Shift for Gamma Ray Source and Detector on Same Circular Orbit », Proceedings of the Physical Society, vol. 77, no 2,‎ , p. 350–352 (DOI 10.1088/0370-1328/77/2/318)
  13. ↑ (en) Champeney, D. C.; Isaak, G. R.; Khan, A. M., « An 'aether drift' experiment based on the Mössbauer effect », Physics Letters, vol. 7, no 4,‎ , p. 241–243 (DOI 10.1016/0031-9163(63)90312-3)
  14. ↑ (en) Turner, K. C.; Hill, H. A., « New Experimental Limit on Velocity-Dependent Interactions of Clocks and Distant Matter », Physical Review, vol. 134, no 1B,‎ , p. 252–256 (DOI 10.1103/PhysRev.134.B252)
  15. ↑ Grieser, R.; Klein, R.; Huber, G.; Dickopf, S.; Klaft, I.; Knobloch, P.; Merz, P.; Albrecht, F.; Grieser, M.; Habs, D.; Schwalm, D.; Kühl, T., « A test of special relativity with stored lithium ions », Applied Physics B Lasers and Optics, vol. 59, no 2,‎ , p. 127–133 (DOI 10.1007/BF01081163)
  16. ↑ Saathoff, G.; Karpuk, S.; Eisenbarth, U.; Huber, G.; Krohn, S.; Horta, R. Muñoz; Reinhardt, S.; Schwalm, D.; Wolf, A.; Gwinner, G., « Improved Test of Time Dilation in Special Relativity », Phys. Rev. Lett., vol. 91, no 19,‎ , p. 190403 (DOI 10.1103/PhysRevLett.91.190403, Bibcode 2003PhRvL..91s0403S)
  17. ↑ Reinhardt, S.; Saathoff, G.; Buhr, H.; Carlson, L. A.; Wolf, A.; Schwalm, D.; Karpuk, S.; Novotny, C.; Huber, G.; Zimmermann, M.; Holzwarth, R.; Udem, T.; Hänsch, T. W.; Gwinner, G., « Test of relativistic time dilation with fast optical atomic clocks at different velocities », Nature Physics, vol. 3, no 12,‎ , p. 861–864 (DOI 10.1038/nphys778, Bibcode 2007NatPh...3..861R)
  18. ↑ Novotny, C. et al., « Sub-Doppler laser spectroscopy on relativistic beams and tests of Lorentz invariance », Physical Review A, vol. 80, no 2,‎ , p. 022107 (DOI 10.1103/PhysRevA.80.022107)
  19. ↑ (en) Chou, C. W.; Hume, D. B.; Rosenband, T.; Wineland, D. J., « Optical Clocks and Relativity », Science, vol. 329, no 5999,‎ , p. 1630–1633 (PMID 20929843, DOI 10.1126/science.1192720, Bibcode 2010Sci...329.1630C)

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