La mesure du temps peut paraitre un peu barbante, fade. La recherche de la précision la plus pointue et la rigueur stricte a souvent une image austère, a raison peut-être. Mais je tiens à vous convaincre dans cet article qu’elle cache néanmoins des applications essentielles dans la vie de tous les jours, des concepts de physique atomique et des propriétés essentiels à la science moderne.
Pour constituer une horloge, il suffit d’avoir une pulsion, comme la révolution de la terre autour d’elle-même, la révolution de la terre autour du soleil, le battement d’un pendule, l’oscillation d’un quartz ou la fréquence d’une onde, sonore ou lumineuse. On va appeler cette pulsion la source. Ainsi que tout un système pour transmettre ce battement aux sens humain (cadran solaire, système mécanique associée à un cadran a aiguille ou encore un capteur électrique, une mémoire et un écran, … ). On va appeler ça le transmetteur.
Commençons par comprendre les sources les plus utilisées dans le monde moderne: le quartz. Le quartz est un cristal qui a une propriété très interessante: lorsque l’on lui applique un courant électrique variable. Il sélectionne très précisément une seule fréquence. On peut donc utiliser cette fréquence pour avoir une source extrêmement précise. Cette fréquence est influencée par la coupe du quartz et la température. On l’utilise sous des formes différentes en fonction de si on a besoin d’une oscillation à température constante, a basse fréquence ou la plus pure et précise possible. Cette source a une erreur de maximum ~ 1min/ans. Ce qui est largement suffisant pour ne pas rater son train ou synchroniser les puce d’un téléphone. Cependant, pour des application scientifique comme mesurer la vitesse de la lumière ou la vitesse de désintégration d’atome très instable, une précision a la nano voir pico seconde n’est pas du luxe. Mais comment avoir un échelonnage du temps rigoureusement identique entre un laboratoire à Londres et un autre à Pékin ? Idealement il faudrait avoir deux sources identiques en tout point. Mais au vu de la quantité d’atome et de la taille d’un quartz, il doit exister des sources nettement plus précises. C’est là qu’intervient la physique atomique. S’il y a bien une chose que l’on peut, à condition d’avoir l’équipement et le matériel nécessaire, reproduire exactement à l’identique et dans le même état dans 2 laboratoires distincts, c’est bien les atomes. L’idée devient donc de mettre au point une expérience dans laquelle on a la relation : les atomes de césium sont dans leurs états d’énergie minimum si et seulement si l’oscillateur varie à une fréquence précise. Et c’est exactement ce type d’expérience qu’utilisent les horloges atomiques d’une erreur max stratosphérique de maximum une seconde tous les 3 millions d’années.
Oscar Hoet
Sources :
https://electroacoustique.univ-lemans.fr/cours/Grain3.4/co/grain_02.html
https://electroacoustique.univ-lemans.fr/cours/pdf/grain_34.pdf