Pourquoi le chronométrage est désormais sur le point de faire un pas de géant en matière de précision

Le temps est essentiel au fonctionnement de notre vie quotidienne : des montres à nos poignets aux systèmes GPS de nos téléphones. Systèmes de communication, réseaux électriques et transactions financières tous comptent sur le timing de précision. Les secondes sont les unités de mesure essentielles pour le chronométrage.

Étonnamment, il y a encore un débat sur la définition de la seconde. Mais les progrès récents dans les formes de chronométrage les plus précises au monde viennent peut-être de changer la donne.

Un chronométrage précis a toujours fait partie de l’évolution sociale de l’humanité. Au monument néolithique de Newgrange en Irlandeune ouverture spéciale au-dessus d’une entrée permet à la lumière du soleil d’éclairer le passage et la chambre pendant les jours les plus courts de l’année, autour du 21 décembre, solstice d’hiver.

Il y a environ 2 300 ans, Aristote a dit que « la révolution de la sphère la plus extérieure des cieux » devrait être la référence pour mesurer le temps. Le philosophe grec pensait que le cosmos était organisé en sphères concentriques, avec la Terre au centre.

Horloges à eauapparus vers 2 000 avant JC, comptent parmi les instruments de mesure du temps les plus anciens. Pour ce faire, ils régulent le débit d’eau entrant ou sortant d’un récipient. L’horloge mécanique fut ensuite créée à la fin du XIIIe siècle.

Jusqu’en 1967, une seconde était définie comme 1/86 400 d’une journée, avec vingt-quatre heures dans une journée, soixante minutes dans une heure et 60 secondes dans une minute (24 x 60 x 60 = 86 400). Le Système international d’unités puis j’ai changé les choses, me contentant de cette définition:

« La seconde… est définie en prenant… la fréquence de transition de l’atome de césium 133, comme étant 9192631770 lorsqu’elle est exprimée dans l’unité Hz, qui est égale à s⁻¹. »

Si vous êtes confus, laissez-moi développer. Le cœur de cette définition est ce qu’on appelle la fréquence de transition. Une transition se produit lorsque les électrons d’un atome absorbent de l’énergie et passent à un niveau d’énergie plus élevé, revenant ensuite à un état détendu. C’est un peu comme boire une tasse de café : on a tout d’un coup plus d’énergie, jusqu’à ce que la caféine disparaisse. La fréquence est le nombre attendu de fois qu’une transition se produit pendant une période de temps spécifique.

À chaque tick de seconde, une transition spécifique d’un électron du césium-133 se produit 9192631770 fois. C’est devenu l’étalon de mesure du temps. À ce jour, le césium fournit la définition la plus précise de la seconde, mais elle peut être améliorée en utilisant des fréquences plus élevées.

Plus la fréquence de transition est élevée, moins une seule erreur de lecture peut faire dérailler la précision totale. S’il y avait cinquante transitions par seconde, le coût en termes de précision d’une erreur de comptage serait cent fois plus élevé que s’il y en avait 5 000.

Il existe deux limites à la réduction de cette erreur : les défis technologiques liés à la mesure des fréquences, notamment les plus élevées ; et la nécessité de trouver un système – des atomes de césium 133 pour le second – avec une transition haute fréquence mesurable.

Afin de mesurer une fréquence inconnue, les scientifiques prennent un signal de fréquence connue (une référence) et le combinent avec la fréquence qu’ils souhaitent mesurer. La différence entre eux sera un nouveau signal avec une petite fréquence facile à mesurer : la fréquence des battements.

Les horloges atomiques utilisent cette technique pour mesurer la fréquence de transition des atomes avec une telle précision qu’elles deviennent des normes pour définir la seconde. Pour atteindre une telle précision, les scientifiques ont besoin d’un signal de référence fiable, qu’ils obtiennent avec ce qu’on appelle un peigne de fréquence.

Un peigne de fréquence utilise des lasers émis par impulsions intermittentes. Ces faisceaux contiennent de nombreuses ondes lumineuses différentes, dont les fréquences sont également espacées, comme les dents d’un peigne, d’où leur nom.

Dans les horloges atomiques, un peigne de fréquence est utilisé pour transférer de l’énergie à des millions d’atomes simultanément, en espérant que l’une des dents du peigne batte avec la fréquence de transition d’un atome. Un peigne de fréquence dont les dents sont nombreuses, fines et dans la bonne plage de fréquences augmente les chances que cela se produise. Ils sont donc essentiels pour obtenir des mesures de haute précision d’un signal de référence.

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Des horloges atomiques aux horloges nucléaires

Comme nous l’avons vu, la seconde est définie par les transitions électroniques dans les atomes de césium. Les transitions se produisant avec une fréquence plus faible sont plus faciles à mesurer. Mais ceux qui se produisent à une fréquence plus élevée contribuent à augmenter la précision de la mesure.

Les transitions du césium se produisent à peu près à la même fréquence sur le spectre électromagnétique que les micro-ondes. Ces fréquences micro-ondes sont inférieures à celles de la lumière visible. Mais en septembre 2021les scientifiques ont effectué des mesures en utilisant l’élément strontium, dont la fréquence de transition est supérieure à celle du césium et se situe dans la plage de la lumière visible. Cela ouvre la possibilité de redéfinir la seconde d’ici 2030.

En septembre 2024, des scientifiques américains réalisé des avancées majeures vers la construction d’une horloge nucléaire – un pas au-delà d’une horloge atomique. Contrairement à l’horloge atomique, la transition mesurée par ce nouvel appareil se produit dans le noyau de l’atome (d’où son nom), ce qui lui confère une fréquence encore plus élevée.

Le thorium-229, l’atome utilisé pour cette étude, offre une transition nucléaire qui peut être excitée par la lumière ultraviolette. L’équipe travaillant sur l’horloge nucléaire a surmonté le défi technologique consistant à construire un peigne de fréquence fonctionnant dans la gamme de fréquences relativement élevées de la lumière ultraviolette.

Il s’agit d’un grand pas en avant, car les transitions nucléaires ne deviennent généralement visibles qu’à des fréquences beaucoup plus élevées, comme celles du rayonnement gamma. Mais nous ne sommes pas encore en mesure de mesurer avec précision les transitions dans la plage gamma.

La transition de l’atome de thorium a une fréquence environ un million de fois supérieure à celle de l’atome de césium. Cela signifie que, même si elle a été mesurée avec une précision moindre que l’horloge au strontium de pointe actuelle, elle promet une nouvelle génération d’horloges avec des définitions de seconde beaucoup plus précises.

Mesurer le temps à la dix-neuvième décimale, comme pourraient le faire les horloges nucléaires, permettrait aux scientifiques d’étudier des processus très rapides. Pensez à deux coureurs à égalité lors d’une photo finish. Si le chronomètre de l’arbitre comportait quelques chiffres supplémentaires, il serait en mesure d’identifier le vainqueur.

De même, la relativité générale est utilisée pour étudier des processus à grande vitesse qui pourraient conduire à des chevauchements avec la mécanique quantique. Une horloge nucléaire nous fournira la technologie nécessaire pour prouver ces théories.

Sur le plan technologique, les systèmes de positionnement précis tels que le GPS reposent sur des calculs complexes qui nécessitent des mesures fines du temps nécessaire à un signal pour passer d’un appareil à un satellite et sur un autre appareil.

Une meilleure définition de la seconde se traduira par un GPS beaucoup plus précis. Le temps est peut-être écoulé pour la seconde du césium, mais un tout nouveau monde l’attend au-delà.

Fourni par La conversation

Cet article est republié à partir de La conversation sous licence Creative Commons. Lire le article original.

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