Einstein a émis l’hypothèse que la déformation de l’espace-temps par la gravité était causée par des objets massifs. En conséquence, le temps passe plus lentement dans un champ gravitationnel profond que dans un champ moins profond. Cela signifie que les temps passent un peu plus lentement à la base de la tour Skytree qu’au sommet.



La difficulté de mesurer réellement le changement de la vitesse à laquelle les horloges fonctionnent dans différents champs de gravité est que la différence est très faible. Effectuer un test rigoureux de la théorie de la relativité nécessite soit une horloge très précise soit une grande hauteur différente. L’une des meilleures mesures à ce jour concerne des horloges grandes et complexes telles que celles développées par le groupe RIKEN, qui peuvent mesurer une différence d’environ un centimètre de hauteur. En dehors du laboratoire, les meilleurs tests ont été effectués par satellites, à des altitudes différentes de milliers de kilomètres. De telles expériences spatiales ont limité toute violation de la relativité générale à environ 30 parties par million, une mesure extrêmement précise qui montre essentiellement qu’Einstein est correct.

Les scientifiques de RIKEN et leurs collaborateurs ont entrepris de développer des horloges à réseau optique transportables qui pourraient faire des tests de relativité relativement précis, mais sur le terrain. Le but ultime, cependant, n’est pas de prouver ou d’infirmer Einstein. Selon Hidetoshi Katori de RIKEN et l’Université de Tokyo, qui a dirigé le groupe, « Une autre application majeure des horloges ultraprécises est de détecter et d’utiliser la courbure de l’espace-temps par gravité. En l’utilisant, les horloges peuvent distinguer de petites différences d’altitude, ce qui nous permet de mesurer le gonflement du sol dans des endroits tels que les volcans actifs ou la déformation crustale, ou pour définir la référence de la hauteur. Nous voulions démontrer que nous pouvions effectuer ces mesures précises n’importe où en dehors du laboratoire, avec des appareils transportables. C’est la première étape vers la fabrication d’horloges ultra-précises dans des appareils du monde réel. « 



La clé de l’exploit d’ingénierie était de miniaturiser les horloges de taille laboratoire en appareils transportables et de les rendre insensibles aux bruits environnementaux tels que les changements de température, les vibrations et les champs électromagnétiques. Chacune des horloges était enfermée dans une boîte à blindage magnétique, d’environ 60 centimètres de chaque côté. Les divers dispositifs laser et contrôleurs électroniques nécessaires pour piéger et interroger les atomes confinés dans un réseau étaient logés dans deux boîtiers montables en rack. Les deux horloges étaient reliées par une fibre optique pour mesurer la note de battement. En parallèle, les scientifiques ont effectué une télémétrie laser et une mesure de la gravité pour évaluer indépendamment la différence de champ gravitationnel pour les deux horloges.

Le chiffre qu’ils ont atteint pour les violations de la relativité générale était une autre validation de la théorie d’Einstein, comme d’autres auparavant. Selon Katori, ce qui est essentiel dans l’expérience, c’est qu’ils l’ont démontré avec une précision comparable aux meilleures mesures spatiales, mais en utilisant des appareils transportables opérant au sol. À l’avenir, le groupe prévoit de comparer des horloges à des centaines de kilomètres de distance pour surveiller le soulèvement et la dépression à long terme du sol, l’une des applications potentielles des horloges ultraprécises.