Les problèmes posés par la mesure du temps

« masse pesante décrit non un arc de cercle mais un arc de cycloïde.

Le pendule cycloïde bat ainsi avec une période constante.

Cependant, comme indiqué plus haut, il s'amortit.

Il faut donc l'entretenir à l'aide d'une force motrice si l'on ne veut pas qu'il finisse par s'arrêter.

La force motrice, le moteur, est la gravité :c'est la chute d'un poids qui fournit l'énergie au pendule et assure l'entretien du mouvement Mais pour des raisons évidentes, il faut éviter que le poids chute brutalement : il faut donc l'arrêter dans sa chute et transmettre l'énergie petit à petit, un peu à chaque oscillation.

C'est le rôle de « l'échappement ».Il existe différents modèles d'échappement.

L'un des plus répandus est l'échappement dit« à ancre» inventé vers 1670.

Ancre, car l'organe qui assure cette fonction rappelle, par sa forme, une ancre.

Les oscillations du pendule agissent sur l'ancre qui vient bloquer la chute du poids.

Parallèlemen� l'ancre transmet au pendule de l'énergie et entretient ses oscillations.

Horloge à balancier spiral Huygens fait une autre découverte, cette fois intéressante pour les petites horloges : celle du balancier· spiral réglant.

Il s'agit d'un ressort en acier enroulé en spirale qui joue le rôle de moteur, à la place de la _ ....

__ __. gravité.

Son invention permet la réalisation de la première montre à spirale en 1675 par Isaac Thuret, maître-horloger.

HORLOGES ÉLECTRIQUES Par horloge électrique, on entend une horloge dans laquelle l'énergie nécessaire à l'entretien du fonctionnement est d'origine électrique.

Horloge à diapason ..-------.

On sait qu'un dia pason vibre à fréquence constante.

On peut donc l'employer comme régulateur.

Et pour entretenir ses vibrations on peut employer l'électricité, plus précisément l'action d'un électroaimant.

Plus concrètement, le mouvement vibratoire du diapason engendre, par induction électromagnétique, un courant alternatif.

Une fois amplifiée, l'intensité de ce courant permet l'entretien des vibrations par le biais du champ magnétique qui accompagne le courant et qui attire alternativement les branches du diapason.

En résumé, le diapason est excité par un courant alternatif dont il pilote lui-même la fréquence.

Horloge à quartz La première horloge « à quartz » est apparue vers 1930.

Le principe est similaire à celui de l'horloge à diapason, au sens où une vibration mécanique est entretenue par un phénomène électrique.

Si l'on comprime un cristal de quartz convenablement taillé, il développe sur ses faces une tension électrique (un voltage).

Inversement, si on y applique une tension, il se comprime.

Si on inverse la polarité, au contraire, il se dilate.

Ce phénomène porte le nom de piézoélectricité.

L'idée de base consiste donc à faire vibrer un barreau de quartz électriquement et entretenir cette vibration grâce à la tension électrique qu'il développe.

On le fait ainsi entrer en résonance en compensant les pertes énergétiques inévitables par l'énergie fournie par une pile.

Les fréquences étant très élevées (de l'ordre de 10 kHz), il est nécessaire qu'un système électronique compte le nombre d'oscillations afin de donner la seconde.

C'est le rôle du microprocesseur.

Comme électroniquement il est très simple de diviser par deux, on a intérêt à choisir une fréquence égale à une puissance de deux : on choisit souvent 32 768 Hz (2").

Ensuite, le temps peut être affiché numériquement ou en faisant tourner une trotteuse, cela est un détail.

Grâce aux progrès de l'électronique, la fabrication d'une montre à quartz aujourd'hui ne coûte presque rien pour une très bonne précision (de l'ordre de la seconde par jour), si bien que le rapport qualité-prix est très bon, sans parler de l'encombrement et du poids qui sont ridiculement faibles.

On peut difficilement imaginer pouvoir faire mieux.

Une variante de la montre à quartz a pourtant vu le jour il y a quelques années seulement.

Il s'agit de l'horloge et de la montre radio-pilotées qui sont remises à l'heure une fois par jour par onde radio, l'heure exacte é tan t donnée par une horloge atomique, évitant ainsi la dérive journalière d'une seconde.

HORLOGES ATOMIQUES Les horloges atomiques ont été mises au point dès le milieu des années 1950, bien que le principe théorique tot déjà connu bien avant.

Ce sont les étalons de temps par excellence.

En effet, la Conférence générale des poids et mesures de 1967 a défini la seconde comme la durée égale à « 9192 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 ».

Par définition donc, la seconde est « atomique ».

Peu importe ce qu'est un niveau hyperfin.

Ce qui est important à savoir est qu'un atome peut exister dans des états d'énergie différents, ces états étant séparés non pas de façon continue, mais discontinue, à la manière des marches d'escaliers (quantique).

Le passage d'un état vers un autre de moindre énergie s'accompagne de l'émission d'une onde électromagnétique de fréquence f bien précise de sorte que la différence d'énergie E soit telle que E =hf, h étant une constante (la constante de Planck).

Fonctionnement d'une horloge à quartz pile Inversement, le passage vers un état de niveau supérieur peut se faire par absorption de l'onde de fréquence f.

Les deux niveaux d'énergie choisis pour définir la seconde sont tels qu'une oscillation de l'onde, soit une période, dure 1/9 192 631 770 de seconde.

Par conséquent 9192 631 770 périodes durent une seconde.

D'où la définition.

La précision de ces horloges est de l'ordre de la seconde d'écart en un million d'années ! Principe d'une horloge atomique Si on voulait résumer le principe d'une horloge atomique, on pourrait dire qu'il s'agit d'une horloge à quartz dans laquelle la fréquence du quartz est pilotée par le césium.

L'idée consiste à« éclairer» dans un premier temps une vapeur d'atomes de césium capable d'absorber la fréquence 9192 631 770 Hz, par une onde UHF produite par un générateur à quartz et possédant cette même fréquence ; puis, par des techniques de physique atomique, observer le nombre d'atomes ayant effectué la transition, c'est-à-dire ayant absorbé l'onde UHF.

Si ce nombre est faible, cela signifie que la fréquence de l'onde UHF n'est pas rigoureusement égale à 9192 631 770 Hz.

On modifie donc légèrement cette fréquence UHF, jusqu'à ce que la proportion des atomes de césium qui effectuent la transition vers l'état d'énergie supérieure devienne maximale.

À cet instan� on sait que le générateur est rigoureusement réglé sur 215 Hz: on détermine ainsi d'une manière extrêmement précise la seconde.

Un moyen qui permet par exemple de déterminer la proportion d'atomes de césium excités consiste à regarder la transparence de la vapeur aux UHF.

Si l'onde UHF traverse la vapeur, cela signifie que peu d'atomes de césium ont absorbé l'onde, c'est-à-dire que la fréquence UHF n'est pas .--------- microprocesseur rigoureusement égale à 9192 631 770 Hz.

En revanche, la vapeur devient subitement opaque à la bonne fréquence.

Bien qu'extrêmement précise, l'horloge qui vient d'être décrite peut encore être améliorée.

En effet, dans une vapeur chaude, les atomes possèdent une grande vitesse.

En raison de leur vitesse, ils sont alors capables d'absorber l'onde même si la fréquence de celle-ci n'est pas rigoureusement égale à 9192 631 770 Hz, car dans ce cas, selon que l'atome s'éloigne de l'onde ou va à sa rencontre, il« voit» une fréquence respectivement inférieure ou supérieure à celle émise.

Par conséquent, en ralentissant les atomes on gagne en précision.

Or, un des principaux axes de recherches en physique se situe actuellement dans le refroidissement atomique.

Et c'est d'ailleurs dans ce cadre que Claude Cohen-Tannoudji s'est vu décerner le prix Nobel de physique en 1997.

Ce procédé est particulièrement utilisé dans les fontaines atomiques, les horloges les plus précises actuellement, environ 10 fois plus que les horloges atomiques à atomes froids, elles mêmes plus précises que les horloges atomiques à « atomes chauds ».

les fontaines atomiques Quel que soit l'étalon considéré, le nombre d'atomes qui subit l'interaction avec l'onde UHF est d'autant mieux déterminé que la durée d'interaction dans la cavité est élevée.

Dans les horloges atomiques, classiques ce temps de séjour est de 5 millisecondes environ.

Afin d'allonger ce temps, environ un milliard (seulement) d'atomes ultrafroids sont piégés, confinés, dans six faisceaux lasers concourants afin de réduire le plus possible leur vitesse d'agitation thermique.

Une fois les atomes quasi­ immobilisés à quelques millionièmes de barreau de quartz degrés au-dessus du zéro absolu (- 27 3 °C), ils sont lancés en direction de la cavité UHF, comme dans les étalons classiques, à cela près qu'ici la cavité est verticale.

Cela s'impose en raison de la très faible vitesse des atomes qui, s'ils étaient lancés horizontalemen� retomberaient vite sur le plancher de la cavité.

Ils sont donc lancés vers le haut à 2 à 5 mfs, comme dans une fontaine.

Les atomes montent et retombent, quittant la cavité après un séjour de 0,5 seconde, soit cent fois plus longtemps que dans une horloge atomique classique.

La meilleure fontaine atomique actuellement en fonctionnement dans le monde, FOl, se trouve au Laboratoire primaire du temps et des fréquences, laboratoire du Bureau national de métrologie à l'observatoire de Paris.

Une manière d'allonger encore davantage la durée de séjour des atomes dans la cavité UHF consiste à faire en sorte qu'ils ne tombent pas.

Il suffit pour cela de se placer en apesanteur : c'est l'objectif du proje t PHARAO ou Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite.

Des tests concluants ont déjà été effectués à bord d'avions en vol parabolique où l'on obtient les conditions d'apesanteur.

Une horloge à fontaine atomique devrait bientôt être installé à bord de Les phys iciens espèrent obtenir une stabilité de fréquence de 10·� seconde sur une journée, soit une dérive journaliè re d'un dix millionième de milliardième de seconde ! Utilité des horloges atomiques Nous mentionnerons simplement que la précisi on du système GPS est étroitement liée à celle des horloges à bord des satellites : il faut en effet que toutes les horloges soient synchrones.

Et ce synchronisme ne peut être obtenu qu'avec des horloges atomiques.. »