Bienvenue Arts Sciences Technologies Tutoriels Vrac  
  Astronomie Mathématique Physique Textes  
 
 

Groupe  :   Invité

les Sarto's > Bienvenue > Sciences > Textes >    - L'atome bouscule la mécanique
 
       - L'atome bouscule la mécanique  
    Karine Jacquet - Les cahiers de Science & Vie, no.134 - 2013-01-01      
    Les astronomes ont perdu la maîtrise du temps au profit des physiciens.
L'unité de temps, la seconde, est aujourd'hui devenue une propriété de la matière.
Un garde-temps dont on ne cesse d'améliorer la précision.
 
    Durant sept siècles, l'horloge mécanique a égrené, tel un métronome, nos journées avec une précision d'une seconde par jour. Pourtant, une découverte à la fin du XIXe siècle va permettre de mesurer le temps avec encore plus de précision. En 1880, les frères Curie observent que certains cristaux, notamment le quartz, se chargent électriquement quand on les soumet à des pressions mécaniques. Et inversement, ils vibrent de manière mécanique lorsqu'ils sont parcourus par un courant électrique. Cette propriété, nommée piézoélectricité, va permettre en 1927 de créer les premières horloges à quartz, de la taille d'un meuble. Leur principe : appliquer une tension électrique fournie par une pile sur une fine lamelle de ce cristal pour la faire osciller à la fréquence de 32'768 fois par seconde. Le quartz oscille donc à une fréquence plusieurs milliers de fois supérieure à celle des chronomètres mécaniques qui barraient à une fréquence de 5 hertz, soit 5 fois par seconde. Une révolution pour la mesure du temps. Car «plus la fréquence est élevée, plus la seconde est découpée en courtes durées élémentaires - appelées périodes -, meilleure est l'exactitude de la mesure», explique Noël Dimarcq, directeur du Syrte, le département de l'Observatoire de Paris chargé des systèmes de référence du temps et de l'espace. À la fin des années 1960, la montre à quartz s'affiche à tous les poignets et ne perd en moyenne qu'une seconde tous les mois. Les horloges mondiales n'auront, elles, guère le temps de se mettre à ce tempo. En 1958, l'atome d'un métal mou jaune clair, le césium 133 - stable et non radioactif à la différence du césium 137- supplante le quartz pour régler le temps mondial avec une régularité de quelques microsecondes par jour. L'horloge atomique est née !  
   

Salvadore Dali. La persistance de la mémoire.

 
    Et l'atome de césium 133 bat la mesure. La seconde correspond à 9'192'631'770 battements de l'atome (fréquence de la transition pour passer d'un état d'excitation à un autre). Et autant d'oscillations par seconde ! Les physiciens peuvent dès lors déterminer, en temps réel, la durée d'une seconde à partir des propriétés de la matière. En 1967, à l'issue de la treizième conférence générale des Poids et Mesures, la définition de la seconde atomique se substitue à celle de la seconde astronomique liée à la révolution de la Terre autour du Soleil, soit la 31'556'925,97e partie de l'année tropique 1900, le laps de temps que met la Terre pour parcourir son orbite entre deux équinoxes de printemps. La seconde équivaut dorénavant à «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». Les astronomes perdent la maîtrise de la définition de l'unité temps au profit des physiciens et l'atome de césium devient le métronome mondial. L'horloge atomique - plutôt un réseau de 300 horloges disséminées à la surface du globe participant à la construction de l'échelle de temps - règle nos pendules avec une précision de l'ordre de 10-15.  
   

 
    Toutefois, les applications demandent des précisions de plus en plus grandes. «La précision est fondamentale pour construire une échelle de temps fiable sur le long renne. Comme pour un double décimètre, plus la graduation est fine et plus la mesure est juste. Or déterminer une fréquence revient à compter des graduations et non des écoulements. Le moindre écart entre deux horloges induit donc des erreurs dans l'échelle», explique Noël Dimarcq. C'est pourquoi les chercheurs tentent de créer des horloges toujours plus performantes pour jouer le rôle de gardiennes parfaites du temps. Pour y parvenir, ils ralentissent les atomes ! En effet, plus les atomes sont lents, plus longtemps on peut les observer pour mesurer avec précision leur fréquence de référence. Certaines horloges atomiques utilisent ainsi des atomes refroidis à des températures très proches du zéro absolu par la lumière laser. Le projet Pharao du Cnes prévoit, lui, à l'horizon 2015, de faire fonctionner une horloge à atomes froids à bord de la station spatiale internationale ISS. Ces atomes froids en lévitation dans l'horloge permettront d'atfiner les mesures et d'avoir une horloge ne perdant qu'une seconde tous les 300 millions d'années !  
   

Le GPS à l'heure atomique

 
    Les horloges atomiques interviennent jusque dans le bon fonctionnement du GPS (Global Positioning System) et de Glonass (russe), Beidu (chinois) ou Galleo (européen). Pour le GPS, 24 satellites américains placés en orbite moyenne à 20'000 km permettent la localisation d'un récepteur dont la précision va de 15 m à 1 mm. Une exactitude obtenue grâce aux horloges atomiques embarquées dans ces satellites ! Rappelons que la distance est le produit d'une vitesse par le temps. Le GPS mesure les temps de transit de signaux radio entre au moins 4 satellites et 1 récepteur au sol. Ce dernier compare l'heure d'émission simultanée du signal de chaque satellite à celle de sa réception. Les positions des satellites et la vitesse de propagation des signaux étant connus (300'000 km/s), le récepteur calcule les distances qui le séparent des satellites et en déduit sa position : latitude, longitude et altitude, heure. Une erreur d'une nanoseconde (un milliardième de seconde) entraîne un décalage au sol de 30 cm. Une broutille pour un randonneur, un gouffre pour un pilote préparant son appontage.  
   

 

 
   

L'heure de tous : la sculpture d'Arman, datée de 1985, s'élève dans la cour même de la gare Saint-Lazare à Paris.

 
   

Pour quelques secondes d'écart

 
    Arrêter le temps. L'idée semble saugrenue et pourtant, depuis 1972, nos horloges sont régulièrement suspendues le temps d'une seconde. En quarante ans, elles ont gagné vingt-cinq secondes. La faute à la toupie Terre et à sa rotation inconstante et aléatoire en raison de sa déformabilité, de l'attraction du Soleil et de la Lune, de la répartition des glaces polaires, des frictions entre le manteau et le noyau ou encore des séismes. Or, depuis 1820, la durée du jour a augmenté de 2,5 millisecondes. Résultat : le temps astronomique et le temps atomique ne battent plus le même tempo. Pour synchroniser les deux échelles de temps, l'IERS, le Service international de la rotation terrestre et des systèmes de référence, situé à l'Observatoire de Paris, remet les pendules à l'heure dès que la différence dépasse 0,9 seconde. Dans la nuit du 30 juin 2012, la dernière minute a ainsi duré 61 secondes. Un ajout qui n'a pas été sans conséquence. Faute de préparation, de nombreux serveurs informatiques, comme Mozilla, l'opérateur du navigateur Firefox, la compagnie aérienne Quantas, la plateforme Amazon ou encore le logiciel Java, ont connu des bugs.  
   

 

 
    Mais le record de performance est détenu aujourd'hui par les horloges optiques développées dans les laboratoires. En 2010, une équipe du NIST (National Institute of Standards and Technology) aux États-Unis a mis au point une horloge optique fonctionnant à l'ion aluminium. Elle garderait, 3,7 milliards d'années plus tard, une précision d'environ une seconde. Si ces horloges utilisent toujours un phénomène oscillatoire, ici celle d'un ion, leur fréquence se situe dans le domaine optique, soit environ 1015 Hz, 100'000 fois plus élevée que la fréquence micro-onde de l'atome de césium. Les recherches des derniers prix Nobel de physique mettront peut-être tout le monde à l'heure. Les travaux du Français Serge Haroche et de l'Américain David Wineland sur l'optique quantique ont notamment permis de mettre au point des horloges extrêmement précises qui pourraient, selon les membres de l'académie «devenir la base d'une nouvelle norme de temps en remplaçant les actuelles horloges atomiques».  
   

Une horloge a atomes froids bientôt a bord de la station spatiale

 
    Pourquoi une telle course à la précision ? «Par nécessité théorique, et aussi pour de futurs besoins pratiques. Aujourd'hui, la mesure du temps est bien meilleure que les exigences du grand public. Les systèmes sont tout d'abord devenus très performants puis les applications en ont découlé», précise Noël Dimarcq. Grâce à la mesure du temps on peut utiliser les GPS, mesurer la distance Terre-Lune au centimètre près ou observer la dérive des continents. Sans horloges atomiques, nous ne serions pas tous abonnés aux mobiles. Et pour cause, leur principe repose sur le multiplexage temporel qui consiste à faire transiter plusieurs informations à travers un seul support de transmission. Les conversations sont ainsi découpées en paquets d'octets (des 0 et des 1) toutes les demi-rnillisecondes. Entre ces laps de temps, d'autres paquets de conversations se glissent dans les trous. Tous voyagent sur les réseaux et sont reconstitués au niveau du récepteur dans l'ordre d'arrivée grâce à une horloge atomique synchronisée à 1012 seconde près. D'autres applications sont plus fondamentales. Grâce aux horloges, les physiciens testent la théorie de la relativité d'Einstein en mesurant, entre autres, la dilatation des durées et les différences d'écoulement du temps dans des référentiels différents.  
    Cette quête de la précision absolue ne s'achèvera, en théorie, jamais. Elle s'apparente à la course de la fable, où le lièvre a toujours un temps de retard sur la tortue…  
    Table des matières - suite : Rythmes synchrones  
       
  top Les cahiers de Science & Vie, no.134 - 2013-01-01