des bâtons dans le sol aux horloges atomiques au césium, les humains suivent le temps avec une précision croissante depuis des millénaires., Helen Margolis examine comment nous avons atteint notre définition actuelle de la seconde et où va la technologie d’horloge
Le 1er novembre 2018, lorsque cet article a été publié publié pour la première fois dans l’édition imprimée de physics world, je travaillais au National Physical Laboratory (NPL) du Royaume-Uni à Teddington depuis exactement 20 ans et six jours. La raison pour laquelle je sais que c’est facile – j’ai rejoint le 26 octobre 1998 et, à l’aide d’Horloges et de calendriers, je peux mesurer le temps qui s’est écoulé., Mais qu’est-ce que les gens faisaient avant l’apparition des horloges? Comment ont-ils mesurer le temps?
au cours des millénaires, une myriade de dispositifs ont été inventés pour le chronométrage, mais ce qu’ils ont tous en commun, c’est qu’ils dépendent de phénomènes naturels avec des périodes régulières d’oscillation. Le chronométrage consiste simplement à compter ces oscillations pour marquer le passage du temps.
pendant une grande partie de l’histoire, le phénomène périodique choisi était le mouvement apparent du Soleil et des étoiles à travers le ciel, causé par la rotation de la Terre autour de son propre axe., L’une des premières méthodes de chronométrage connues – sortir ensemble il y a des milliers d’années – consistait à placer un bâton debout dans le sol et à suivre son ombre en mouvement au fur et à mesure que la journée avançait. Cette méthode a évolué vers le cadran solaire, ou horloge d’ombre, avec des marqueurs le long du chemin de l’ombre divisant le jour en segments.
cependant, les cadrans solaires sont inutiles à moins que le soleil ne brille. C’est pourquoi des dispositifs mécaniques – tels que des horloges à eau, des horloges à bougies et des sabliers – ont été développés., Puis, au 17ème siècle, des horloges à pendule ont été développées, qui étaient beaucoup plus précises que tous les dispositifs de chronométrage précédents. Leur période d’oscillation (dans l’approximation d’ordre le plus bas) a été déterminée par l’accélération due à la gravité et la longueur du pendule. Parce que cette période est beaucoup plus courte que la rotation quotidienne de la Terre, le temps pourrait être subdivisé en intervalles beaucoup plus petits, ce qui permet de mesurer des secondes, voire des fractions de seconde.,
néanmoins, la rotation de la Terre était toujours l ‘ « horloge maîtresse” par rapport à laquelle les autres horloges étaient calibrées et ajustées régulièrement.
du cristal à l’atome
Au fur et à mesure que la technologie progressait, le besoin de synchronisation à plus haute résolution augmentait. Les horloges à pendule ont été progressivement dépassées par les horloges à quartz, dont la première a été construite en 1927 par Warren Marrison et Joseph Horton dans les laboratoires téléphoniques de Bell aux États-Unis. Dans ces dispositifs, un courant électrique fait résonner un cristal de quartz à une fréquence spécifique qui est beaucoup plus élevée que les oscillations d’un pendule.,
la fréquence de ces horloges est moins sensible aux perturbations environnementales que les anciens dispositifs de chronométrage, ce qui les rend plus précis. Malgré tout, les horloges à quartz reposent sur une vibration mécanique dont la fréquence dépend de la taille, de la forme et de la température du cristal. Deux cristaux ne se ressemblent pas exactement, ils doivent donc être calibrés par rapport à une autre référence – c’était la période de rotation de la Terre,la seconde étant définie comme un 1/86 400 E du jour solaire moyen (voir encadré ci-dessous).
temps de normalisation
le temps solaire n’est pas le même partout., Au Royaume-Uni, par exemple, Birmingham est huit minutes derrière Londres, et Liverpool est 12 minutes derrière. Alors que les temps de communication et de déplacement entre les principaux centres de population étaient lents, cela importait peu. Mais la situation a radicalement changé avec la construction de chemins de fer au 19ème siècle. Le fait d’avoir des heures locales différentes à chaque station a causé de la confusion et de plus en plus, à mesure que le réseau s’étendait, des accidents et des quasi-accidents. Un seul temps standardisé était nécessaire.,
Le Great Western Railway ouvre la voie en 1840 et le « temps du chemin de fer” est progressivement repris par d’autres compagnies de chemin de fer au cours des quelques années suivantes. Les horaires ont été normalisés à Greenwich Mean Time (GMT), et en 1855, les signaux horaires étaient transmis télégraphiquement à partir de Greenwich à travers le réseau ferroviaire britannique. Cependant, ce n’est qu’en 1880 que le rôle de GMT en tant qu’heure standard unifiée pour l’ensemble du pays a été établi dans la législation., Quatre ans plus tard, lors de la Conférence Internationale Meridian qui s’est tenue à Washington DC aux États-Unis,le GMT a été adopté comme norme de référence pour les fuseaux horaires du monde entier et le second a été formellement défini comme une fraction (1/86 400) du jour solaire moyen.
Il y a cependant des problèmes avec cette définition de la seconde. Comme notre capacité à mesurer cette unité de temps s’est améliorée, il est devenu clair que la période de rotation de la Terre n’est pas constante., La période ne ralentit pas seulement progressivement en raison du frottement des marées, mais varie également avec la saison et, pire encore, fluctue de manière imprévisible.
en 1955, NPL a lancé une révolution dans le chronométrage lorsque Louis Essen et Jack Parry ont produit la première Norme de fréquence atomique pratique au césium (voir encadré ci-dessous). Leur appareil n’était pas vraiment une horloge car il ne fonctionnait pas en continu et servait simplement à calibrer la fréquence d’une horloge à quartz externe à des intervalles de quelques jours., Néanmoins, en étudiant comment la fréquence de résonance dépendait des conditions environnementales, Essen et Parry avaient montré de manière convaincante que les transitions entre les niveaux d’énergie discrets dans des atomes de césium bien isolés pouvaient fournir une référence d’intervalle de temps beaucoup plus stable que toute norme basée sur le mouvement des corps astronomiques. Comme Essen l’a écrit plus tard: « nous avons invité le directeur à venir assister à la mort de la seconde astronomique et à la naissance du temps atomique., »
fonctionnement d’une horloge atomique
dans une horloge atomique au césium, la fréquence d’une source micro-ondes est soigneusement ajustée jusqu’à atteindre la fréquence de résonance correspondant à la différence d’énergie entre les deux niveaux hyperfins à l’état fondamental des atomes de césium: 9 192 631 770 Hz. Les atomes absorbent le rayonnement micro-ondes, et un signal de rétroaction généré à partir du signal d’absorption est utilisé pour maintenir la source micro-ondes à l’écoute de cette fréquence hautement spécifique., L’affichage de l’heure est généré en comptant électroniquement les oscillations de la source micro-ondes.
L’horloge originale de Louis Essen au National Physical Laboratory du Royaume-Uni utilisait un faisceau thermique d’atomes de césium et était précise à environ une partie en 1010. De nos jours, les étalons primaires de césium utilisent un arrangement connu sous le nom de « Fontaine atomique”, dans lequel les atomes refroidis par laser sont lancés vers le haut à travers une cavité micro-ondes avant de retomber sous gravité. L’utilisation d’atomes froids signifie que le temps d’interaction peut être beaucoup plus long que dans une horloge à faisceau thermique, ce qui donne une résolution spectrale beaucoup plus élevée., Avec une évaluation minutieuse des changements de fréquence systématiques résultant des perturbations environnementales, les meilleures fontaines de césium d’aujourd’hui ont atteint une précision d’une partie en 1016, bien que les mesures doivent être moyennées sur plusieurs jours pour atteindre ce niveau. Ils contribuent en tant que normes primaires au temps atomique International (TAI).
Mais montrer que la nouvelle norme était stable était insuffisant pour redéfinir la seconde. Une nouvelle définition devait être conforme à l’ancienne dans la limite technique de l’incertitude de mesure., Essen et Parry ont donc procédé à la mesure de la fréquence de leur étalon de césium par rapport à l’échelle de temps astronomique diffusée par L’Observatoire royal de Greenwich.
entre-temps, les astronomes étaient passés à l’utilisation du temps des éphémérides, basé sur la période orbitale de la Terre autour du Soleil. Leur raison d’être était qu’il est plus stable que la rotation de la Terre, mais malheureusement pour la plupart des fins de mesure pratiques, il est peu pratique., Néanmoins, le Comité International des poids et mesures a suivi leur exemple et, en 1956, a choisi l’éphéméride en deuxième position pour être l’Unité de base du temps dans le système International d’unités. Comme L’a dit Essen: « même les organismes scientifiques peuvent prendre des décisions ridicules. »
mais ridicule ou pas, il avait besoin de relier la fréquence du césium à la seconde éphéméride, une tâche qu’il a accomplie en collaboration avec William Markowitz de L’Observatoire Naval des États-Unis., Enfin, en 1967, la Conférence générale des poids et mesures a décidé que le moment était venu de redéfinir la seconde comme « la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133”.
la prochaine génération
des versions plus compactes et moins coûteuses – quoique moins précises – des horloges atomiques au césium ont également été développées, et les applications ont prospéré. Nous ne le réalisons peut-être pas toujours, mais le timing de précision sous-tend de nombreuses caractéristiques de notre vie quotidienne. Les téléphones mobiles, les transactions financières, Internet, l’énergie électrique et les systèmes mondiaux de navigation par satellite reposent tous sur des normes de temps et de fréquence.,
mais bien que la transition au césium se soit avérée une base durable pour la définition de la seconde, les horloges atomiques au césium pourraient maintenant atteindre la limite de leur précision et des améliorations pourraient ouvrir de nouvelles applications. En réponse, une nouvelle génération d’horloges atomiques est en train d’émerger basée sur des transitions optiques plutôt que micro-ondes. Ces nouvelles horloges obtiennent leur précision améliorée de leurs fréquences de fonctionnement beaucoup plus élevées., Toutes choses étant égales par ailleurs, la stabilité d’une horloge atomique est proportionnelle à sa fréquence de fonctionnement et inversement proportionnelle à la largeur de la transition électronique. En pratique, Cependant, la stabilité dépend également du rapport signal sur bruit de la caractéristique d’absorption atomique.
dans une horloge atomique optique, un laser ultra-stable est verrouillé sur une transition électronique spectralement étroite dans la région optique du spectre – la soi-disant « transition d’horloge”., Les horloges optiques étudiées aujourd’hui se divisent en deux catégories: certaines sont basées sur des ions piégés refroidis par laser et d’autres sont basées sur des ensembles d’atomes refroidis par laser piégés dans un réseau optique.
le PREMIER, un seul ion refroidi par laser dans un piège électromagnétique à radiofréquence, se rapproche de l’idéal spectroscopique d’une particule absorbante au repos dans un environnement sans perturbation. Une fois refroidi, il peut être confiné à une région de l’espace avec des dimensions inférieures à la longueur d’onde de la lumière laser d’horloge, ce qui signifie que l’élargissement Doppler de la caractéristique d’absorption est éliminé.,
en contrôlant son mouvement résiduel pour s’assurer qu’il est étroitement confiné au centre du piège, d’autres changements de fréquence systématiques peuvent également être considérablement supprimés. Ce type d’horloge a donc le potentiel d’une très grande précision. L’inconvénient est qu’un seul ion donne un signal d’absorption avec un faible rapport signal / bruit, ce qui limite la stabilité de l’horloge qui peut être obtenue.
Les atomes neutres, en revanche, peuvent être piégés et refroidis en grand nombre, ce qui donne un signal avec un bien meilleur rapport signal / bruit., La stabilité, par exemple, s’améliore avec la racine carrée du nombre d’atomes, toutes choses étant égales par ailleurs. Les chercheurs peuvent maintenant confiner des milliers d’atomes refroidis par laser dans un Piège à réseau optique-le plus souvent un réseau 1D de puits potentiels formés par l’intersection de faisceaux laser.
on pourrait s’attendre à ce que les faisceaux lumineux utilisés pour piéger les atomes modifient la fréquence de la transition d’horloge., Cependant, cela peut être évité en ajustant le laser utilisé pour créer le réseau à une longueur d’onde « magique” à laquelle les niveaux supérieur et inférieur de la transition d’horloge décalent précisément de la même quantité – une solution proposée Pour la première fois en 2001 par Hidetoshi Katori, de L’Université de Tokyo au Japon.
Le record actuel de stabilité d’horloge optique est détenu par le groupe D’Andrew Ludlow du National Institute for Standards and Technology des États-Unis à Boulder, Colorado. Leur horloge en réseau optique ytterbium a récemment démontré une stabilité d’une partie en 1018 pour des temps de moyenne de quelques milliers de secondes., Cependant, les horloges optiques à ions piégés ont également démontré des stabilités bien inférieures à celles des horloges atomiques au césium, et les deux types ont maintenant atteint des incertitudes systématiques estimées aux parties basses du niveau 1018. Cela dépasse de loin la précision des étalons primaires de césium et soulève une question évidente: est-il temps de redéfinir la seconde une fois de plus?
l’avenir du temps
la fréquence de l’étalon optique sélectionné devrait bien sûr être déterminée avec précision en termes de fréquence du césium, afin d’éviter toute discontinuité dans la définition. Mais cela peut facilement être accompli en utilisant un peigne à fréquence optique femtoseconde – une source laser dont le spectre est un peigne de fréquences régulièrement espacées-pour combler l’écart entre les fréquences optiques et les micro-ondes. Un obstacle à une redéfinition est qu’on ne sait pas quelle horloge optique sera finalement la meilleure., Chaque système étudié présente des avantages et des inconvénients-certains offrent une plus grande stabilité réalisable, tandis que d’autres sont hautement immunisés contre les perturbations environnementales.
un autre défi consiste à vérifier expérimentalement leurs incertitudes systématiques estimées par des comparaisons directes entre horloges optiques développées indépendamment dans différents laboratoires. Ici, les chercheurs européens ont un avantage car il est déjà possible de comparer les horloges optiques au Royaume-Uni, en France et en Allemagne avec le niveau de précision nécessaire en utilisant des liaisons à fibre optique., Malheureusement, ces techniques ne peuvent actuellement pas être utilisées à des échelles intercontinentales et il faut trouver d’autres moyens de se connecter aux horloges optiques aux États-Unis et au Japon.
Les expériences de comparaison d’Horloge À Distance doivent également tenir compte du décalage vers le rouge gravitationnel des fréquences d’horloge. Pour les horloges optiques avec des incertitudes d’une partie en 1018, cela signifie que le potentiel de gravité aux sites d’horloge doit être connu avec une précision correspondant à environ 1 cm de hauteur, une amélioration significative par rapport à l’état actuel de la technique. Les variations de marée du potentiel de gravité doivent également être prises en compte.,
bien que tous ces défis soient susceptibles d’être surmontés avec le temps, une redéfinition de la seconde nécessitera un consensus international et est encore loin. Jusque-là, la communauté mondiale de la métrologie temporelle et fréquentielle a convenu que les horloges atomiques optiques peuvent en principe contribuer aux échelles de temps internationales en tant que représentations secondaires de la seconde.
en effet, la précision sans précédent des horloges atomiques optiques profite déjà à la physique fondamentale., Par exemple, des limites améliorées ont été fixées sur la variation dans le temps courant de la constante de structure fine (α ≈ 1/137) et du rapport de masse proton-électron en comparant les fréquences de différentes horloges sur une période de plusieurs années.
Les horloges optiques pourraient également ouvrir des applications complètement nouvelles. En comparant la fréquence d’une horloge optique transportable avec une horloge de référence fixe, nous serons en mesure de mesurer les différences de potentiel de gravité entre des emplacements bien séparés avec une sensibilité élevée, ainsi qu’une résolution temporelle et spatiale élevée., De telles mesures conduiront à des définitions plus cohérentes des hauteurs au – dessus du niveau de la mer-actuellement, différents pays mesurent par rapport à différents marégraphes, et le niveau de la mer n’est pas le même partout sur Terre. Ils pourraient également nous permettre de surveiller l’évolution du niveau de la mer en temps réel, en suivant les tendances saisonnières et à long terme des masses de la calotte glaciaire et des changements globaux de la masse Océanique-des données qui fournissent une entrée critique dans les modèles utilisés pour étudier et prévoir les effets du changement climatique., Il est peut – être ironique que nous puissions étudier plus en détail la Terre – dont la rotation définissait à l’origine la seconde-à l’aide de son dernier usurpateur: l’horloge optique.
