La seconde nous a bien servi pendant des centaines d’années, mais elle n’est pas parfaite – les horloges atomiques qui sont nos chronomètres officiels perdent une seconde de temps tous les 200 millions d’années environ.
Ce n’est peut-être pas suffisant pour vous mettre en retard à la répétition de la chorale, mais dans le domaine des voyages spatiaux et de la physique, même de petites erreurs peuvent faire de grandes différences. Dans cette optique, des efforts sont en cours pour construire des horloges plus précises que jamais.
Il s’agit de mettre au point des horloges capables de voir la lumière visible à plus haute fréquence, ce qui signifie une plus grande précision dans la mesure du temps.
Comme le rapporte Edwin Cartlidge dans Science, les métrologues des laboratoires de Boulder du National Institute of Standards and Technology (NIST), dans le Colorado, travaillent actuellement sur des dispositifs jusqu’à 100 fois plus précis que les horloges existantes.
Toutes les horloges marquent le temps en fonction d’une certaine action, qu’il s’agisse du balancement d’un pendule ou, dans le cas des horloges atomiques modernes, des oscillations d’un faisceau de micro-ondes réglé à la longueur d’onde exacte nécessaire pour exciter l’élément chimique césium.
Comme les électrons du césium font des allers-retours entre deux états d’énergie, la fréquence de ces sauts peut être utilisée pour mesurer le temps.
Les horloges de nouvelle génération actuellement en cours de développement au NIST sont des horloges atomiques optiques, mesurant les ondes lumineuses avec une fréquence de résonance environ 100 000 fois supérieure à celle des micro-ondes, ce qui permet une précision bien supérieure.
En fait, ces nouvelles horloges pourraient devenir si précises qu’elles ne perdraient qu’une seconde tous les 15 milliards d’années.
Une horloge atomique optique à l’ytterbium. (NIST)
À l’aide de deux horloges optiques déployant des lasers pour refroidir et piéger des atomes d’ytterbium, les chercheurs du NIST ont réussi à les faire fonctionner ensemble avec une précision 100 fois supérieure à celle des horloges au césium – techniquement à 1,4 partie sur1018.
“Ce serait la première fois que deux horloges de la même espèce s’accordent à ce niveau”, a déclaré Ludlow à Science, bien que les expériences doivent encore être examinées par des pairs et publiées dans une revue.
Si elle est vérifiée, la précision répondrait à l’une des exigences fixées par le Bureau international des poids et mesures (BIPM) en France, exigences qui doivent être satisfaites avant que ces nouvelles horloges optiques puissent remplacer leurs anciennes homologues au césium.
Des recherches supplémentaires sont maintenant nécessaires pour s’assurer que les précisions peuvent être maintenues et ce, dans plusieurs laboratoires différents simultanément. En raison de leur complexité, les horloges optiques actuelles ont tendance à n’être utilisées que de manière ponctuelle.
Ce n’est que lorsque tous les contrôles croisés seront terminés que nous disposerons d’une nouvelle seconde plus précise, et cela pourrait ne pas se produire avant la réunion de 2026 de l’organe métrologique suprême du monde, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM).
La CGPM se réunit tous les quatre ans et, cette année, elle a en ligne de mire quatre nouvelles définitions actualisées : pour la constante de Planck, pour la constante de Boltzmann, pour la constante d’Avogadro et pour la quantité de charge électrique d’un seul proton.
Des mesures plus précises de ces valeurs permettront aux scientifiques de fournir des points de référence plus précis pour ce qui constitue un kilogramme, un kelvin et un ampère, entre autres mesures. Après cela, la seconde pourrait être la prochaine à faire l’objet d’une nouvelle définition.
L’une des questions qui restent à résoudre est celle du type de nouvelle horloge atomique optique à utiliser. Certaines utilisent des réseaux d’atomes neutres, comme les horloges du NIST, tandis que d’autres utilisent des ions piégés uniques, et des progrès sont réalisés dans tous les cas.
“Ces horloges deviennent de plus en plus fiables et robustes”, a déclaré en novembre Chris Oates, chef de la division Temps et Fréquences du NIST.