La seconde atomique fête ses cinquante ans : retour sur son histoire

C’était il y a pile cinquante ans. Le 13 octobre 1967, en France, au cours de la treizième conférence générale des poids et mesures, les scientifiques du monde entier ont admis qu’il était temps d’abandonner les observations astronomiques pour définir la seconde et de se baser plutôt à la place sur des mesures de phénomènes se passant à l’échelle de l’infiniment petit.

La seconde atomique était née.

Aujourd’hui, la seconde est officiellement définie comme étant « la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 ». Une précision a toutefois été apportée en 1997 par le Comité international pour dire que cette définition se lit lorsque l’atome de césium est « au repos », c’est-à-dire au zéro absolu (zéro kelvin).

Pour le dire plus simplement, la seconde équivaut à 9 192 631 770 vibrations d’un atome de césium.

La seconde équivaut à 9 192 631 770 vibrations d’un atome de césium

La précision extraordinaire de cette définition, basée sur une propriété de la matière et non plus sur des évènements se déroulant dans le ciel, comme la position du Soleil ou celle des étoiles, offre aujourd’hui des mesures particulièrement fiables du temps. Mais bien sûr, les sociétés d’antan n’avaient pas d’autre choix que de se référer aux évènements spatiaux : l’échelle quantique leur était totalement étrangère.

C’est ce que raconte le CNRS dans un court documentaire célébrant l’anniversaire de la seconde atomique. Pendant des siècles, la seconde était définie comme une fraction d’une journée solaire moyenne, en se basant sur la rotation de la Terre sur elle-même. Il s’agissait alors de s’appuyer sur la position de certaines étoiles dans le ciel pour établir une mesure assez précise.

En 1889, la définition qui était retenue disait qu’une seconde est une fraction (1 / 86 400) du jour solaire moyen, étant entendu qu’une journée de 24 heures correspond à 24 heures fois 60 minutes fois 60 secondes — ce qui fait un total de 86 400. Sauf que la rotation de la Terre a une régularité toute relative. Il fallait donc faire appel  à des paramètres de mesure plus exigeants pour obtenir une définition plus pointue.

Une nouvelle définition a donc vu le jour en 1960, lors d’une autre réunion, en se basant non pas sur une journée mais sur une année. Mais pas n’importe laquelle : une année tropique. Il s’agit, dans les grandes lignes, du temps que met la Terre pour faire une révolution autour du Soleil, dans un repère tournant lié à la ligne des équinoxes, précise la page Wikipédia qui lui est consacrée.

Des étoiles au Soleil

Avec cette approche, on se base sur la durée qui sépare deux équinoxes, d’automne ou de printemps, c’est-à-dire, pour faire simple, le moment où le Soleil culmine dans le ciel selon un certain angle. Le problème, c’est que les années tropiques n’ont pas la même durée. C’est donc l’année 1900 qui a été retenue comme référence. La seconde était alors une fraction (1 / 31 556 925,974 7) de l’année tropique 1900.

C’est donc sept ans plus tard que l’on a cessé de regarder vers le ciel pour mesurer le temps, avec la treizième conférence générale des poids et mesures. Même si les étoiles et le Soleil ont constitué de bons points de repère pour mesurer le temps — leur position dans le ciel étant assez facilement et précisément mesurable par les astronomes, c’est vers les laboratoires que l’on a fini par se tourner.

Une horloge atomique.
CC halfrain

Et quel phénomène physique s’avère plus exigeant que les vibrations atomiques ultras régulières pour calculer la seconde ? C’est ainsi que celle-ci a été définie comme un multiple des oscillations de l’atome de césium et que sont nées les horloges atomiques, qui sont aujourd’hui plus de 400 dans le monde entier et dont les mesures sont centralisées en France, au bureau international des poids et mesures.

C’est lui qui donne ensuite le temps universel coordonné (UTC).

Pour vous donner un ordre d’idée, les montres à quartz les plus précises se décalent d’une seconde tous les cent jours. Les horloges à césium, elles, dérivent d’une seconde par tranche… de cent millions d’années. Et à l’avenir, de nouvelles horloges atomiques encore plus précises devraient voir le jour. Il est notamment question de concevoir des horloges au strontium, qui battraient 10 000 fois plus rapidement.

Sa régularité serait alors de… dix milliards d’années avant de constater un écart d’une seconde. Cela veut dire que si une horloge au strontium avait été mise en marche au moment du Big Bang, il y a 13,8 milliards d’années, sa précision n’aurait glissé que d’une seconde depuis ! Reste une question : quel intérêt d’aller faire des horloges atomiques de plus en précises, de plus en plus régulières ?

CC Miriam Espacio

Éprouver la physique actuelle

Et bien, il s’agit de se doter d’instruments scientifiques permettant de challenger encore plus fortement les lois fondamentales de la physique, à commencer par le modèle standard. C’est ce qu’explique le physicien Jérôme Lodewick, dans la vidéo du CNRS :

« Il y a des observations astronomiques qui remettent en cause ou mettent à défaut ce modèle standard, en introduisant de nouvelles particules, de nouvelles énergies, qu’on appelle l’énergie noire ou la matière noire, et grâce aux horloges, qui mesurent des échelles de temps très, très précises, on peut observer de tous petits défauts dans la physique actuelle et essayer de valider ces théories qui vont au-delà du modèle standard ».