Qu’est-ce qu’une seconde?

Avec le développement d’horloges toujours plus précises, avons-nous besoin d’une nouvelle définition de ce qu’est une seconde?

Cette définition a beaucoup changé à travers l’histoire, rappelait récemment le New Scientist — qui consacrait même au sujet sa page couverture.

Variations de microsecondes

Au 17^e siècle, elle correspondait à 1/86 400 d’une journée. Toutefois, le temps que la Terre met pour faire une rotation complète sur elle-même varie de quelques microsecondes chaque jour. Un métronome plus constant était donc nécessaire.

Ce qui explique la création de l’horloge au quartz, en 1927: le quartz peut résonner à une fréquence très régulière lorsqu’il est exposé à un courant électrique.

Pour obtenir trois décennies plus tard une horloge atomique, il «suffisait» d’ajouter des atomes de césium qui s’excitaient lorsque la vibration du quartz produisait la bonne fréquence de micro-ondes. Ce type d’horloge peut s’ajuster elle-même et se dérègle d’à peine une seconde par 300 millions d’années.

Et il se trouve que la définition actuelle de la seconde repose sur ce système.

L’atome de césium 133

En 1967, le Bureau international des poids et mesures la décrivait comme «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 non perturbé». Une définition compliquée, mais qui a le mérite d’être plus précise que la précédente.

Toutefois, ce n’est pas encore parfait. Des éléments comme le strontium et l’ytterbium réagissent à des fréquences beaucoup plus élevées que le césium, ce qui les rend plus précis.

Lasers et micro-ondes

Les horloges utilisant ces éléments fonctionnent avec des lasers plutôt que des micro-ondes, d’où leur nom d’horloges optiques, et devraient ne se dérégler que d’une seconde… par 20 milliards d’années.

Petit problème: l’utilisation des lasers est incompatible avec la technologie électronique des horloges atomiques actuelles, ce qui empêche leur utilisation à l’extérieur des laboratoires.

En mai dernier, une équipe de physiciens de la Californie a toutefois réussi à convertir le signal optique de leur super-horloge en micro-onde, sans perdre de précision.

Les horloges optiques sont maintenant plus précises… que la définition même de la seconde. Les scientifiques espèrent donc convaincre le Bureau international des poids et mesures d’en adopter une nouvelle, lors de leur prochain congrès, en 2026.

Important pour le GPS

Une horloge qui retarde d’une nanoseconde par heure ne semble pas dramatique. Toutefois, pour un GPS qui mesure le temps que met un laser pour voyager entre deux points, cela peut représenter une erreur de plus de 300 km.

La NASA développe d’ailleurs l’horloge atomique Deep Space, 50 fois plus stable que les horloges actuelles des satellites GPS. Ce système faciliterait la navigation lors de futurs voyages sur Mars.

Davantage de précision permettrait aussi aux GPS des voitures de distinguer une voie d’une autre, accélérant l’avènement des véhicules autonomes.

En bourse

Enfin, le marché boursier est lui aussi à la recherche de plus de précision, car il repose sur des réseaux d’ordinateurs qui doivent être parfaitement synchronisés.

Les transactions arrivant par millions chaque seconde, il lui faut déterminer avec précision le moment exact de l’entrée de chacune dans le système, pour qu’elles soient traitées dans le bon ordre.