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Brève histoire de la mesure du temps

Et si vous preniez un peu de temps pendant les vacances pour parfaire vos connaissances sur l’histoire de la mesure du temps ?

 1.    Écoulement du temps en astronomie
 
Au début, une des méthodes les plus simples pour mesurer l’écoulement du temps était de l’associer à un phénomène linéaire, comme par exemple un sablier ou une clepsydre (horloge à eau, signifie voleur d’eau dans le sens de voleur du temps) ; de même les bougies graduées.
 
Mais on s’aperçut vite que la rotation de notre planète étant périodique pouvait aussi être un indicateur du temps qui passe.
Cela a donné naissance aux gnomons et autres cadrans solaires.
 
Or, les mouvements de la Terre sont irréguliers si on les regarde de près : mouvement du manteau et de l’intérieur de notre planète, influence des forces des marées (Lune, Soleil) qui ralentissent la rotation …. ; tout ceci nous a conduit depuis l’introduction des horloges atomiques à corriger le temps universel en rajoutant une seconde additionnelle de temps en temps pour rattraper cette irrégularité. (courbe dans le coin supérieur droit).
A ce propos, rappelons que la dernière seconde additionnelle date du 30 juin 2015.

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2.    Définition de la seconde :
 
Jusqu’en 1956 la seconde était une fraction du jour solaire (1/86400) puis de 1956 à 1967 la seconde a été définie comme une fraction de l’année tropique (365,2422 jours solaires, intervalle de temps pour que le soleil retourne à la même position).
Mais ce n’était pas assez précis, aussi à partir de 1967, la seconde a été définie à partir d’horloges atomiques (voir plus loin).
L’idée était de mesurer le temps avec un oscillateur. Ce n’était pas nouveau, il y a quelques siècles on utilisait le pendule battant la seconde, mais la période dépend de l’accélération de la pesanteur, donc en fonction de sa propre position on n’a pas la même valeur.
On a ensuite envisagé les oscillateurs à quartz basés sur la piézoélectricité. C’est ainsi que fonctionnent toutes les montres actuelles, grâce à un oscillateur au quartz.
La piézoélectricité a été découverte par Pierre Curie dans les années 1880. La déformation mécanique de certains cristaux entraînait la génération d’un signal électrique et réciproquement.
Cette technologie a donné naissance à la technologie MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
Concernant les oscillateurs, il est fondamental d’avoir la plus grande fréquence possible afin d’avoir une meilleure précision.
Dans l’ordre croissant on passe des horloges classiques aux horloges à quartz puis aux micro-ondes et enfin aux horloges laser.

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3.    Horloges atomiques

Le principe repose sur un principe quantique fondamental : un atome ne peut exister que sous différents niveaux d’énergie bien quantifiés dépendant de la nature de cet atome. Lorsqu’il est « illuminé » par un faisceau de photons à la bonne énergie, l’atome peut chasser un électron d’une couche interne ; afin de conserver l’énergie, l’atome réagit en émettant un photon correspondant exactement à la différence d’énergie entre ces couches.
Le principe d’une horloge atomique devient donc « simple » : il suffit de compter la fréquence émise par un atome bien particulier. Comme elle est constante, elle devient une base de temps.

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Ça c’est pour le principe, maintenant pour arriver au résultat, on a besoin d’un asservissement avec un oscillateur hyper fréquence à quartz qui va irradier une cavité résonante afin de permettre aux atomes choisis (Césium par exemple) d’entrer dans la résonance voulue (pour le Césium : 9129631770 Hz).
Plus on est proche de la fréquence recherchée et plus les atomes sont excités, provoquant un signal qui va servir de contre réaction (asservissement) à la fréquence de l’oscillateur, qui va ainsi être pilotée par cette différence. À la fin, le signal est parfaitement calé sur la fréquence de transition, fournissant ainsi une fréquence stable.
C’est donc à partir de 1967 que la seconde va être définie comme la durée de 9°129°631°770 périodes de la radiation correspondant à la transition de deux niveaux hyperfins de l’état fondamentale du Césium 133.
C’est le temps atomique international (TAI) : il est donné par la moyenne de quelques centaines d’horloges atomiques mondiales, il est absolu et totalement déconnecté de la rotation de la Terre et de ses variations éventuelles.
C’est pour cette raison que l’on en a déduit le temps universel UTC, égal au TAI à un nombre de seconde près qui permet de tenir compte de la rotation de la Terre (incorporant la seconde additionnelle).

 

4.    Horloges à atomes froids
 
Une des causes d’instabilité de ces horloges atomiques est l’agitation thermique des atomes utilisés.

Il faudrait donc utiliser des atomes « froids » le plus proches possibles du zéro absolu, c’est ce que l’on fait avec le refroidissement laser qui a permis d’améliorer la précision de ces horloges de façon exceptionnelle.
Ce sont des horloges à atomes froids ou horloges à fontaine d’atomes.
Cette technologie permet d’avoir des horloges très petites et très performantes : 10-16 sur la fréquence soit sur le temps : une seconde de variation sur 300 millions d’années !

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Il existe un projet pour mettre une telle horloge dans l’espace sur l’ISS : PHARAO (acronyme de Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite). C’est un projet CNES/ESA qui devrait être installé en 2016.
Elle permettra de tester la relativité.
D’autres améliorations : les horloges optiques avec une fréquence 50.000 fois plus grande que pour le Césium.
On devrait atteindre une précision de l’ordre de une seconde pour 3 milliards d’années !!!

 

5.    Les applications de ces horloges atomiques  
 
·    Redéfinition des unités SI
·    Datation et synchronisation (transports, transactions bancaires etc…)
·    Nouvelle définition de l’heure légale basée sur UTC. (horloge parlante puis radio pilotage par ondes hertziennes)
·    Diffusion des échelles de temps atomique.
·    Mesure des distances (tir laser sur la Lune par ex)
·    Positionnement par satellite : GPS
·    Test de la théorie de la relativité

Tout cela grâce à nos scientifiques qui ont permis cette avancée de la technique des horloges atomiques. Certains ont également reçu un prix Nobel.

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6.    Conclusion
 
La mesure de temps avec des atomes est de loin la plus précise : de 10-16 à 10-17 ; elle a abouti à de nombreuses retombées scientifiques et sociétales.


Les images sont issues de la présentation de Noël Dimarcq lors de la conférence sur «LA MESURE DU TEMPS» organisée par l'Institut d’Astrophysique de Paris le mardi 5 Novembre 2013. Cet article a été rédigé par Jean Pierre MARTIN et publié avec son aimable autorisation ainsi que celle de Noel Dimarcq.
Noël Dimarcq est spécialisé dans les horloges atomiques et tous systèmes de mesure du temps.
De 2006 à 2014, il a été directeur du SYRTE, Systèmes de référence Temps-Espace (CNRS, Observatoire de Paris, UPMC, LNE).
En plus de diriger maintenant le réseau d'excellence FIRST-TF, il est aussi chargé de mission pour l'institut de physique du CNRS sur la Photonique et préside le conseil scientifique de l'Observatoire de la Côte d'Azur.