La précision du temps

La mesure du temps

Depuis toujours, l'homme mesure le temps qui passe.
La rotation de la Terre lui a permis de diviser le temps en jours entre 2 levers ou couchers de Soleil. Aujourd'hui encore les mouvements de la Terre sont surveillés en permanence en utilisant des techniques de plus en plus évoluées. Avec les cadrans solaires, la journée a été divisée en heures, puis les pendules ont divisé les heures en minutes et secondes. Mais cela ne suffit pas pour éviter les dérives du temps, les scientifiques ont trouvé des mécanismes de plus en plus précis pour mesurer le temps. La vibration du cristal de quartz a permis d'améliorer la précision du temps au millième de seconde mais cela n'était pas assez précis encore car la recherche technologique demande de plus en plus de précision. Alors on s'est servi de la fréquence naturelle de certains atomes et en particulier de l'isotope de l'atome de césium 133 dont les oscillations émettent des impulsions de lumière. La fréquence d'oscillation de l'atome de césium est incroyablement élevée, c'est ce que les scientifiques cherchaient car une fréquence élevée permet une mesure du temps avec une grande précision. C'est donc l'atome de césium qui garantit actuellement l'exactitude du temps sur notre planète. Si on le bombarde d'énergie, en utilisant un laser, il vibre en émettant des impulsions de lumière à la fréquence de 9 192 631 770 Hz. Avec cette fréquence de 9 192 631 770 impulsions de lumière par seconde, la précision est telle que cette horloge ne perd ou gagne une seconde, que tous les 100 millions d'années environ. Aujourd'hui la définition de la seconde, faite par le Système international d'unités, est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133.
Une horloge qui utilise la pérennité et l'immuabilité de la fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un électron, lors du passage d'un niveau d'énergie à un autre, est appelée "horloge atomique".
C'est à l'aide de ces horloges atomiques que l'on garde la précision du Temps international (TAI) et que l'on distribue les échelles de temps de référence (UTC).

N. B. : Le Césium est un métal alcalin, son nom « caesius » signifie « bleu ciel » en latin. Son spectre émet deux lignes caractéristiques de couleur bleu clair. Le césium a été découvert en 1861, par Robert Wilhelm Bunsen et par Gustav Robert Kirchhoff par spectroscopie de la lépidolite (minéral appartenant aux silicates).

Image : La vitesse de rotation de la Terre à l'équateur est de 1 674,364 km/h. Le nombre de rotations de la Terre sur elle-même est d'environ 365,2425 par an, soit 365,2425 jours sidéraux (rotation par rapport au système de référence céleste). Cependant tous les mouvements de la Terre sont irréguliers et varient peu à peu en dans le temps. La Lune avec ses effets de marées ralentit la rotation de la Terre sur elle-même. La durée du jour sur Terre augmente lentement au rythme d'environ 2 millisecondes par siècle. C'est ainsi qu'il y a 300 millions d'années, l'année durait 400 jours de 22 heures. A la naissance de la Terre, Il y a 4,5 milliards d'années, l'année durait 1434 jours de 6,1 heures.

Des horloges de plus en plus précises

Gnomons, horloges à eau, sabliers ont servi pendant des siècles à mesurer le temps. Après les cloches que les religieux actionnent toutes les heures, viennent les horloges à balanciers. C'est Christiaan Huygens (1629 - 1695) qui conçoit en 1657 la première horloge à pendule qui possède une fréquence d’oscillation relativement constante. Ce mécanisme, un peu amélioré au fil du temps, sera utilisé pendant près de 300 ans, jusqu'à atteindre une précision de l’ordre de la seconde.
Les horloges électriques, les horloges électroniques et les montres à quartz vont remplacer petit à petit les pendules.
Au XXème siècle, les propriétés de la matière vont venir améliorer considérablement la précision de la mesure du temps.
Aujourd'hui ce sont les horloges atomiques qui obtiennent la plus grande précision (10^-10 seconde avec le Cs133). Mais déjà au début du XXIème siècle la lumière remplace la matière dans la mesure du temps et la précision augmente encore (10^-12 seconde avec l'optique).

Tableau : précision de la mesure du temps, en seconde, sur une journée, à travers les siècles.

Horloge atomique à fontaine d'atomes

Une horloge atomique est un oscillateur à quartz asservi sur la fréquence naturelle de la transition entre deux niveaux d'énergie d'un atome. La première fontaine atomique fonctionna en 1989 avec des atomes de sodium. Aujourd'hui c'est l'isotope stable de l'atome de césium, 133Cs, qui est utilisé dans les horloges atomiques. C'est l'atome de référence dans la définition de la seconde. Tout se passe dans une enceinte chauffée contenant du césium, c'est dans cette enceinte que l'on va créer un jet d'atomes. Après quelques manipulations à travers un champ magnétique, le jet d'atomes passe dans une cavité résonnante dite de Ramsey, du physicien Norman Foster Ramsey (1915 - 2011) qui la proposa pour la première fois en 1950. Après avoir préparer les atomes dans l'un des deux niveaux, excité ou fondamental, ces atomes transitent plus ou moins d'un niveau vers l'autre. La fréquence de l'oscillateur macroscopique est corrigé en permanence de façon à rester asservi autour du maximum de la transition atomique, c'est la réponse de l'atome de césium à cette excitation. La fréquence est alors de 9 192 631 770 Hz.
Cette valeur exacte définit la seconde.

La mesure du temps est ensuite assurée par une division des oscillations de l'oscillateur à quartz, associé à un circuit électronique qui va afficher la valeur ou piloter des équipements nécessitant une fréquence de fonctionnement stable et élevée.  

N. B. : Norman Foster Ramsey est un physicien américain, né le 27 aout 1915 à Washington et mort le 4 novembre 2011. Il est lauréat de la moitié du prix Nobel de physique de 1989, notamment pour des travaux sur les horloges atomiques.

Image : L'horloge atomique à fontaine d'atomes de césium. Cette horloge de 200 kg et de 1,5 m de haut est l'étalon primaire de temps et de fréquence des États-Unis, avec une incertitude totale de 5.10^-16 (en 2005). A l'aide de cette horloge, la mesure du temps est faite avec une précision incroyable grâce à cet atome de métal rare, le césium. crédit : NIST (National Institute of Standards and technology).