La plupart des montres que les gens utilisent pour lire l’heure sont précises à 10 ou 15 secondes près chaque mois. Les montres mécaniques de luxe (comme une Rolex) se tromperont davantage – d’une seconde ou deux chaque jour. Les scientifiques ont besoin de quelque chose de beaucoup plus précis et exact, car les phénomènes qu’ils mesurent ne durent souvent que des milliardièmes de seconde.
C’est là qu’intervient l’horloge atomique. La première version précise a été construite en 1955. Les horloges atomiques gardent le temps en mesurant les oscillations des atomes lorsqu’ils changent d’état d’énergie. Chaque élément a une fréquence caractéristique ou un ensemble de fréquences, et comme l’atome « bat » des milliards de fois par seconde, ces horloges sont très précises. Au National Institute of Standards and Technology, la seconde « officielle » correspond à 9 192 631 770 cycles d’un atome de césium. (Le quartz d’une montre oscille environ 32 000 fois par seconde, soit quelque 290 000 fois plus lentement que les atomes de césium.)
Les scientifiques parlent des horloges atomiques en termes de stabilité et de précision. Pour une horloge atomique, la précision est la façon dont elle mesure les vibrations des atomes. En comparant deux horloges, les scientifiques peuvent mesurer l’incertitude de la lecture de cette fréquence – le degré de précision d’une horloge. La stabilité est le degré de variation des tics d’une horloge sur une période donnée. Faites la moyenne d’un grand nombre de tic-tac, disons 100 000, et vous obtiendrez un nombre qui peut être mesuré par rapport au temps réel que l’horloge conserve. Les scientifiques font généralement référence à la précision lorsqu’ils disent qu’une horloge est si exacte qu’elle gagnera ou perdra une seconde sur des millions d’années. Lorsqu’ils parlent de précision, les scientifiques font généralement référence à la façon dont une horloge correspond à une référence standard donnée, donc en ce sens, l’horloge la plus précise est toujours celle avec laquelle ils fixent la seconde standard.
Tom O’Brian, chef de la division Temps &Fréquence du NIST, a noté plusieurs types d’horloges atomiques : Celle utilisée pour déterminer la seconde standard est basée sur des atomes de césium, mais d’autres types utilisent le strontium, l’aluminium ou le mercure. Certaines utilisent l’hydrogène. Pour une précision encore meilleure, les dernières horloges atomiques sur-refroidissent les atomes qui les composent afin d’éliminer toute perturbation due à la chaleur ambiante.
Le plus gros acheteur d’horloges atomiques, l’industrie des télécommunications, les déploie pour synchroniser les commutateurs de fibre optique et les tours de téléphonie cellulaire, a déclaré O’Brian. Les horloges atomiques sont également utilisées dans le système GPS pour mesurer avec précision la synchronisation des signaux et pour signaler la position d’une personne par rapport aux satellites.
Voici quelques-unes des horloges les plus précises jamais construites, mais O’Brian a noté que la technologie s’améliore constamment et que les scientifiques tentent d’élaborer des mesures du temps toujours plus précises.
1. La NIST F2
Mise en service pour la première fois en 2014, cette horloge, ainsi que son prédécesseur, le NIST F1, contribue à déterminer la seconde standard utilisée par les scientifiques du monde entier. La NIST F2 synchronise également les télécommunications et même les échanges sur les marchés financiers pour l’heure officielle de la journée. L’horloge utilise un ensemble de six lasers pour refroidir les atomes (environ 10 millions d’entre eux), tandis qu’une autre paire de lasers fait doucement monter les atomes dans une chambre remplie de micro-ondes. La précision de l’horloge est due en partie au fait qu’elle fonctionne à une température de moins 316 degrés Fahrenheit (moins 193 degrés Celsius) ; le froid protège les atomes de césium de la chaleur parasite qui pourrait modifier les mesures des oscillations des atomes. Cette horloge gagnera ou perdra une seconde environ une fois tous les 300 millions d’années.
2. Université de Tokyo/ RIKEN
Construite par une équipe dirigée par Hidetoshi Katori, il s’agit d’une horloge atomique à réseau optique. Elle utilise des atomes de strontium piégés entre des faisceaux laser et refroidis à moins 292 F (moins 180 C). Les horloges à réseau optique mesurent les oscillations d’ensembles d’atomes piégés et peuvent donc éliminer toute erreur. Son incertitude, rapportée dans la revue Nature Photonics le 9 février, est de 7,2 x 10^-18, soit environ une seconde tous les 4,4 milliards d’années. Les chercheurs ont déclaré qu’ils ont pu faire fonctionner deux horloges du même type pour ramener cette incertitude à 2.0 x 10^-18, soit environ une seconde tous les 16 milliards d’années.
3. L’horloge au strontium du NIST / JILA
Le NIST et le JILA, un institut commun à l’Université du Colorado, Boulder, ont construit une horloge à réseau de strontium qui atteint une précision de 1 seconde tous les 5 milliards d’années. L’équipe, dirigée par le physicien Jun Ye, a publié ses travaux en 2014 et a vérifié les résultats en comparant son horloge à une autre identique. Selon M. O’Brian, le NIST prévoit de pousser encore plus loin cette expérience, afin de dépasser la stabilité de l’horloge construite par l’équipe de Katori au Japon. L’horloge fonctionne en piégeant des atomes de strontium avec des lasers dans une sorte d’espace en forme de crêpe. Une lumière laser rouge accordée à une certaine fréquence fait sauter les atomes entre les niveaux d’énergie, et ces sauts sont les « tics » – quelque 430 trillions par seconde.
4. L’horloge à logique quantique en aluminium
Le NIST n’utilise pas seulement des atomes de strontium et de césium. En 2010, le NIST a construit une horloge atomique qui utilisait un atome d’aluminium, avec une précision d’une seconde par 3,7 milliards d’années. Celle-ci utilise un seul atome d’aluminium piégé dans des champs magnétiques avec un seul atome de béryllium. Des lasers refroidissent les deux atomes jusqu’à un niveau proche du zéro absolu. Un autre laser est réglé sur la fréquence qui fait changer l’aluminium d’état. Mais les états de l’aluminium étant difficiles à mesurer avec précision, l’aluminium est couplé à l’atome de béryllium. C’est un processus similaire à celui utilisé dans les installations de calcul quantique.
5. L’horloge mécanique Shortt-Synchronome
Les horloges atomiques récoltent toute la gloire, mais O’Brian a déclaré qu’avant leur apparition, les scientifiques devaient encore utiliser des horloges mécaniques – et certaines étaient assez précises. L’horloge Shortt, inventée en 1921, était un instrument scientifique standard dans les observatoires jusqu’à ce que les horloges atomiques la remplacent. L’horloge était en fait un système double, composé d’un pendule dans un réservoir sous vide relié par des fils électriques. L’horloge secondaire envoyait une impulsion électrique toutes les 30 secondes à l’horloge primaire, pour s’assurer que les deux restaient synchronisées. Le pendule dans le vide était fait d’un alliage de nickel et de fer pour réduire toute dilatation thermique, qui aurait modifié la longueur du pendule et donc son oscillation. L’horloge est si précise que les pendules peuvent être utilisés pour mesurer les effets gravitationnels du soleil et de la lune, et c’est cet instrument qui a montré que la rotation de la Terre n’était pas, en fait, uniforme. Des tests effectués à l’observatoire naval américain dans les années 1980 ont montré que l’horloge avait une précision d’une seconde sur environ 12 ans.
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