Les scientifiques tentent de redéfinir la façon dont nous mesurons le temps – voici pourquoi

Tout le monde a besoin de connaître l'heure. Depuis que l'inventeur hollandais du 17ème siècle Christiaan Huygens a fabriqué la première horloge à pendule, les gens ont pensé à de bonnes raisons de mesurer le temps avec plus de précision. sur le marché boursier. Maintenant, pour la plupart d'entre nous, nos horloges se vérifient par rapport à un signal d'horloges atomiques, comme celles embarquées sur les satellites du système de positionnement global (GPS).

Mais une étude récente par deux équipes de scientifiques à Boulder, Colorado pourrait signifier que ces signaux deviendront beaucoup plus précis, en ouvrant la voie pour nous permettre efficacement de redéfinir le second plus précisément. Les horloges atomiques pourraient devenir si précises, en fait, que nous pourrions commencer à mesurer des ondes de gravité auparavant imperceptibles.

Brève histoire du temps

Les horloges modernes utilisent toujours l'idée de base de Huygens d'un oscillateur avec une résonance – comme un pendule de une longueur fixe qui se déplacera toujours d'avant en arrière avec la même fréquence, ou une cloche qui sonne avec une tonalité spécifique. Cette idée a été grandement améliorée au 18ème siècle par John Harrison qui s'est rendu compte que les oscillateurs plus petits et à plus haute fréquence ont des résonances plus stables et plus pures, rendant les horloges plus fiables.

De nos jours, la plupart des horloges de tous les jours utilisent un minuscule morceau de cristal de quartz en forme de diapason musical miniature, avec une fréquence et une stabilité très élevées. La conception de cette horloge n’a pas beaucoup changé au cours des cent dernières années, même si nous nous sommes améliorés pour les rendre moins chères et plus reproductibles.

La différence énorme de nos jours est la façon dont nous vérifions – ou «disciplinons» – les horloges à quartz. Jusqu'en 1955, vous deviez continuer à corriger votre horloge en la comparant à un phénomène astronomique très régulier, comme le Soleil ou les lunes de Jupiter. Maintenant, nous disciplinons les horloges contre les oscillations naturelles à l'intérieur des atomes.

L'horloge atomique a été construite pour la première fois par Louis Essen. Il a été utilisé pour redéfinir la seconde en 1967, une définition qui est restée la même depuis.

Il fonctionne en comptant la fréquence de retournement d'une propriété quantique appelée spin dans les électrons dans les atomes de césium. Cette résonance atomique naturelle est si nette que vous pouvez dire si le signal de votre horloge à quartz s'éloigne en fréquence de moins de une partie sur 10¹⁵ soit un millionième de milliardième. Une seconde est officiellement définie comme 9 192 631 770 retournements de spin d'électrons au césium.

Le fait que nous puissions fabriquer des oscillateurs aussi disciplinés avec précision fait de la fréquence et du temps les mesures les plus précises de toutes les grandeurs physiques. Nous envoyons des signaux d'horloges atomiques partout dans le monde et dans l'espace via le GPS. Toute personne disposant d'un récepteur GPS dans son téléphone portable a accès à un appareil de mesure du temps étonnamment précis.

En savoir plus: Pourquoi nous n'aurons probablement jamais une horloge parfaite

Si vous pouvez mesurer l'heure et la fréquence avec précision, alors il existe toutes sortes d'autres choses que vous pouvez mesurer avec précision. Par exemple, la mesure de la fréquence de retournement de spin de certains atomes et molécules peut vous indiquer la force du champ magnétique qu'ils subissent, donc si vous pouvez trouver la fréquence avec précision, vous avez également trouvé l'intensité du champ avec précision. Les plus petits capteurs de champ magnétique fonctionnent de cette façon.

Mais pouvons-nous faire de meilleures horloges qui nous permettent de mesurer encore plus précisément la fréquence ou le temps? La réponse pourrait encore être exactement comme l'a trouvé John Harrison, aller plus haut en fréquence.

La résonance du spin flip au césium a une fréquence correspondant aux micro-ondes, mais certains atomes ont de belles résonances nettes pour la lumière optique, un million de fois plus haute en fréquence. Les horloges atomiques optiques ont montré des comparaisons extrêmement stables entre elles, du moins lorsqu'une paire d'entre elles est placée à seulement quelques mètres l'une de l'autre.

Les scientifiques se demandent si la définition internationale de la seconde pourrait être redéfinie pour la rendre plus précise. Mais pour y parvenir, les différentes horloges optiques que nous utiliserions pour garder l'heure avec précision doivent être fiables pour lire la même heure même si elles se trouvent dans des laboratoires différents à des milliers de kilomètres l'un de l'autre. Jusqu'à présent, ces tests à longue distance n'ont pas été beaucoup mieux que pour les horloges micro-ondes.

De meilleures horloges

Maintenant, en utilisant une nouvelle façon de relier les horloges avec des lasers ultra-rapides les chercheurs ont montré que différents types d'horloges atomiques optiques peuvent être placés à quelques kilomètres l'un de l'autre et concordent toujours à 1 partie sur 10¹⁸. C'est tout aussi bon que les mesures précédentes avec paires d'horloges identiques espacées de quelques centaines de mètres, mais environ cent fois plus précises qu'avant avec horloges différentes ou grandes distances .

] Les auteurs de la nouvelle étude ont comparé plusieurs horloges basées sur différents types d'atomes – ytterbium, aluminium et strontium dans leur cas. L'horloge au strontium était située à l'Université du Colorado et les deux autres se trouvaient à l'Institut national américain des normes et de la technologie, en bas de la route.

L'étude a connecté les horloges avec un faisceau laser à travers l'air sur 1,5 km d'un bâtiment à l'autre, et ce lien s'est avéré aussi bon qu'une fibre optique sous la route, malgré la turbulence de l'air.

Mais pourquoi avons-nous besoin d'horloges aussi précises? Bien que les atomes de l'horloge soient censés être exactement les mêmes où que se trouve l'horloge et quiconque la regarde, de minuscules différences utiles peuvent apparaître lorsque les mesures du temps sont si précises.

Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, la gravité déforme l'espace-temps et nous pouvons mesurer cette distorsion. Des horloges optiques ont déjà été utilisées pour détecter la différence du champ gravitationnel de la Terre en se déplaçant d'un centimètre de hauteur.

Avec des horloges plus précises, vous pourriez peut-être sentir le fluage de la tension de la croûte terrestre et prédisent des éruptions volcaniques . Des ondes gravitationnelles produites par des fusions de trous noirs distantes ont été observées – peut-être pourrons-nous maintenant détecter des ondes beaucoup plus faibles provenant d'événements moins cataclysmiques en utilisant une paire de satellites avec horloges optiques .

Cet article de Ben Murdin Professor of Photonics and Quantum Sciences, University of Surrey est republié depuis The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original .