Le chronométrage au bord d’un bond géant en précision. Voici pourquoi.

Le temps est vital au fonctionnement de notre vie quotidienne : des montres à nos poignets aux systèmes GPS de nos téléphones. Les systèmes de communication, les réseaux électriques et les transactions financières reposent tous sur un chronométrage précis. Les secondes sont les unités de mesure vitales en matière de chronométrage.

Étonnamment, il y a encore débat sur la définition de la seconde. Mais les récents progrès dans les formes de chronométrage les plus précises au monde pourraient bien avoir changé la donne.

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

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

Les horloges à eau, apparues vers 2000 avant notre ère, sont parmi les plus anciens instruments de mesure du temps. Ils le font en régulant le débit d’eau dans ou hors d’un récipient. L’horloge mécanique a ensuite été établie à la fin du XIIIe siècle.

Jusqu’en 1967, une seconde était définie comme 1/86 400 d’un jour, 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 a ensuite changé les choses, en optant pour cette définition :

La seconde… est définie en prenant la… fréquence de transition de l’atome de césium-133, égale à 9 192 631 770 lorsqu’elle est exprimée en unité Hz, ce qui est égal à s⁻¹.

Si vous êtes confus, laissez-moi vous expliquer. Le cœur de cette définition est quelque chose appelé fréquence de transition. Une transition se produit lorsqu’un électron dans un atome absorbe de l’énergie et passe à un niveau d’énergie supérieur, revenant à un état détendu après un certain temps.

C’est un peu comme boire une tasse de café : vous avez soudainement plus d’énergie, jusqu’à ce que la caféine s’épuise. La fréquence est le nombre attendu de fois qu’une transition se produit pendant une période de temps spécifique.

À chaque tic de la seconde, une transition spécifique d’un électron de césium-133 se produit 9 192 631 770 fois. Cela est devenu l’étalon de mesure du temps. À ce jour, le césium fournit la définition la plus précise de la seconde, mais il peut être amélioré en utilisant des fréquences plus élevées.

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

Il y a deux limitations à la réduction de cette erreur : les défis technologiques de la mesure des fréquences, en particulier des fréquences plus élevées ; et la nécessité de trouver un système – les atomes de césium-133 pour la seconde – 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 veulent mesurer. La différence entre eux sera un nouveau signal avec une petite fréquence qui est facile à mesurer : la fréquence de battement.

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 quelque chose appelé peigne de fréquence.

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

Dans les horloges atomiques, un peigne de fréquence est utilisé pour transférer de l’énergie à des millions d’atomes simultanément, en espérant qu’une des dents du peigne battra avec la fréquence de transition d’un atome.

Un peigne de fréquence dont les dents sont nombreuses, fines et dans la bonne gamme de fréquences augmente les chances que cela se produise. Ils sont donc essentiels pour réaliser des mesures de haute précision d’un signal de référence.

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 à une fréquence plus basse sont plus faciles à mesurer. Mais ceux qui se produisent à une fréquence plus élevée aident à augmenter la précision de la mesure.

Les transitions au césium se produisent à environ 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 2021, des 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 gamme de la lumière visible. Cela ouvre la possibilité de redéfinir la seconde d’ici 2030.

En septembre 2024, des scientifiques américains ont réalisé des avancées clés 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 nouveau dispositif se produit dans le noyau, ou cœur, de l’atome (d’où le nom), ce qui lui confère une fréquence encore plus élevée.

L’équipement pour mesurer précisément l’énergie nécessaire pour exciter le noyau de thorium-229, qui est le cœur d’une future horloge nucléaire. (Chuankun Zhang/JILA)

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 de construire un peigne de fréquence qui fonctionne dans la gamme de fréquences relativement élevée de la lumière ultraviolette.

C’était 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 capables de mesurer avec précision les transitions dans la gamme gamma.

L’atome de thorium a une fréquence environ un million de fois plus élevée que celle de l’atome de césium. Cela signifie que, bien qu’il ait été mesuré avec une précision inférieure à celle de l’horloge au strontium actuelle, il promet une nouvelle génération d’horloges avec des définitions beaucoup plus précises de la seconde.

Mesurer le temps à la dix-neuvième décimale, comme le pourraient les horloges nucléaires, permettrait aux scientifiques d’étudier des processus très rapides. Pensez à deux coureurs à égalité dans un photo finish. Si le chronomètre de l’arbitre avait quelques chiffres supplémentaires, il pourrait identifier le vainqueur.

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

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

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