Les scientifiques tentent de redéfinir la façon dont nous mesurons le temps – voici pourquoi

Tout le monde a besoin de connaître l’heure. Depuis que l’inventeur hollandais du XVIIe siècle Christiaan Huygens a fabriqué la première horloge à pendule, les gens ont pensé à de bonnes raisons de mesurer le temps plus précisément.

Obtenir le bon moment est important à bien des égards, de la gestion d’un chemin de fer à faire des transactions à la milliseconde en bourse. Maintenant, pour la plupart d’entre nous, nos horloges se vérifient par rapport à un signal d’horloges atomiques, comme celles à bord des satellites du système de positionnement global (GPS).

Mais une étude récente par deux équipes de scientifiques à Boulder, dans le Colorado, cela pourrait signifier que ces signaux deviendront beaucoup plus précis, en ouvrant la voie pour nous permettre efficacement de redéfinir le second plus précisément. Les horloges atomiques pourraient devenir si précises, en fait, que nous pourrions commencer à mesurer des ondes de gravité auparavant imperceptibles.

Brève histoire du temps

Les horloges modernes utilisent toujours l’idée de base de Huygens d’un oscillateur avec une résonance – comme un pendule d’une longueur fixe qui se déplacera toujours d’avant en arrière avec la même fréquence, ou une cloche qui sonne avec un ton spécifique. Cette idée a été grandement améliorée au 18ème siècle par John Harrison qui s’est rendu compte que les oscillateurs plus petits et à plus haute fréquence ont des résonances plus stables et plus pures, rendant les horloges plus fiables.

De nos jours, la plupart des horloges de tous les jours utilisent un minuscule morceau de cristal de quartz en forme de diapason musical miniature, avec une fréquence et une stabilité très élevées. Peu de choses ont changé avec cette conception d’horloge au cours des cent dernières années, bien que nous ayons fait mieux pour les rendre moins chères et plus reproductibles.

La différence énorme de nos jours est la façon dont nous vérifions – ou «disciplinons» – les horloges à quartz. Jusqu’en 1955, vous deviez continuer à corriger votre horloge en la comparant à un phénomène astronomique très régulier, comme le Soleil ou les lunes de Jupiter. Maintenant, nous disciplinons les horloges contre les oscillations naturelles à l’intérieur des atomes.

L’horloge atomique a d’abord été construite par Louis Essen. Il a été utilisé pour redéfinir la seconde en 1967, définition qui est restée la même depuis.

Il fonctionne en comptant la fréquence de basculement d’une propriété quantique appelée spin dans les électrons dans les atomes de césium. Cette résonance atomique naturelle est si nette que vous pouvez dire si le signal de votre horloge à cristal de quartz s’éloigne en fréquence de moins de une partie sur 10¹⁵, c’est un millionième de milliardième. Une seconde est officiellement définie comme 9 192 631 770 retournements de spin d’électrons au césium.

Le fait que nous puissions fabriquer des oscillateurs aussi disciplinés avec précision fait de la fréquence et du temps les mesures les plus précises de toutes les grandeurs physiques. Nous envoyons des signaux d’horloges atomiques partout dans le monde et dans l’espace via le GPS. Toute personne disposant d’un récepteur GPS dans son téléphone mobile a accès à un appareil de mesure du temps d’une précision étonnante.

Lire la suite: Pourquoi nous n’aurons probablement jamais une horloge parfaite

Si vous pouvez mesurer le temps et la fréquence avec précision, il y a toutes sortes d’autres choses que vous pouvez également mesurer avec précision. Par exemple, mesurer la fréquence de retournement de spin de certains atomes et molécules peut vous dire la force du champ magnétique qu’ils subissent, donc si vous pouvez trouver la fréquence avec précision, vous avez également trouvé l’intensité du champ avec précision. Le plus petit possible capteurs de champ magnétique fonctionne de cette façon.

Mais pouvons-nous faire de meilleures horloges qui nous permettent de mesurer encore plus précisément la fréquence ou le temps? La réponse pourrait encore être celle de John Harrison, augmenter la fréquence.

La résonance du spin flip au césium a une fréquence correspondant aux micro-ondes, mais certains atomes ont de belles résonances nettes pour la lumière optique, une fréquence un million de fois plus élevée. Les horloges atomiques optiques ont montré des comparaisons extrêmement stables entre elles, du moins lorsqu’une paire d’entre elles est placée à seulement quelques mètres l’une de l’autre.

Les scientifiques se demandent si la définition internationale de la seconde pourrait être redéfinie pour la rendre plus précise. Mais pour y parvenir, les différentes horloges optiques que nous utiliserions pour garder l’heure avec précision doivent être fiables pour lire la même heure même si elles sont dans différents laboratoires à des milliers de kilomètres l’un de l’autre. Jusqu’à présent, ces tests à longue distance ont été pas beaucoup mieux que pour les horloges à micro-ondes.

De meilleures horloges

Maintenant, en utilisant une nouvelle façon de lier les horloges avec lasers ultra-rapides, les chercheurs ont montré que différents types d’horloges atomiques optiques peuvent être placés à quelques kilomètres l’un de l’autre et concordent toujours dans 1 partie sur 10¹⁸. C’est tout aussi bon que les mesures précédentes avec paires d’horloges identiques distants de quelques centaines de mètres, mais environ cent fois plus précis qu’avant avec horloges différentes ou grandes distances.

Les auteurs de la nouvelle étude ont comparé plusieurs horloges basées sur différents types d’atomes – ytterbium, aluminium et strontium dans leur cas. L’horloge au strontium était située à l’Université du Colorado et les deux autres se trouvaient à l’Institut national américain des normes et de la technologie, en bas de la route.