Expérience de Hafele-Keating

L'expérience de Hafele-Keating est un test expérimental de la relativité générale réalisé en 1971 par Joseph Hafele et Richard Keating (en). Des horloges atomiques synchronisées furent embarquées dans deux avions commerciaux qui firent deux fois le tour du monde, l'un vers l'est et l'autre vers l'ouest. Comparées à l'arrivée, les horloges présentèrent effectivement le décalage temporel prévu par la théorie.

Une des horloges atomiques HP 5061A utilisée dans l'expérience.

Description

Les éponymes de l'expérience de Hafele et Keating[1] sont le physicien[2] Joseph C. Hafele[1],[3] (-),[3] de l'université Washington à Saint-Louis[1] et l'astrophysicien[2] Richard E. Keating (en)[1],[3] (-)[3] de l'Observatoire naval des États-Unis[1].

Pour un budget de 8 000 €, Hafele et Keating effectuent deux tours du monde avec escales en avion sur des lignes commerciales, emmenant avec eux quatre horloges atomiques[4]. Le premier tour du monde est effectué d'ouest en est[1] du au [1] en douze escales[1] ; le second est effectué en sens inverse[1] du au [1] en treize escales[1]. À la fin de chacun des deux tours du monde, le temps indiqué par les horloges embarquées est comparé à celui d'une horloge atomique restée à l'Observatoire naval des États-Unis.

En tenant compte des différents plans de vol, les décalages prédits par la théorie étaient de[4] :

  • un retard de 40 ± 23 ns pour les horloges voyageant vers l'Est ;
  • une avance de 275 ± 21 ns pour les horloges voyageant vers l'Ouest.

Ces décalages sont dus à trois effets relativistes : un effet gravitationnel et l'effet Sagnac et un autre effet cinématique d'importance moindre[4].

Résultats

Les résultats obtenus par les quatre horloges dans les deux cas sont en accord avec les prévisions théoriques[4] :

  • un retard de 59 ± 10 ns pour les horloges voyageant vers l'Est ;
  • une avance de 273 ± 7 ns pour les horloges voyageant vers l'Ouest.

Réplications

L'expérience a été répliquée avec succès en 1975, 1996 et 2010[4].

Importance

Cette expérience ne fait pas partie des validations les plus connues de la relativité générale mais peut néanmoins être qualifiée de cruciale car elle constitue une observation directe du phénomène de désynchronisation relativiste des horloges, dont l'existence était encore contestée en 1971[4].

Les systèmes de positionnement par satellites tels que GPS, GLONASS, Beidou ou Galileo, qui reposent sur l'utilisation d'horloges atomiques placées dans des satellites en orbite autour de la Terre, doivent pour être précis corriger le phénomène de désynchronisation des horloges mis en évidence par l'expérience de Hafele-Keating[4].

Notes et références
  1. Gourgoulhon 2010, p. 55.
  2. Spagnou 2018, p. 15.
  3. Spagnou 2018, p. 1, fig. 1.
  4. Spagnou 2018.

Voir aussi

Bibliographie

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Publications originales

Études

Dictionnaires et encyclopédies
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