Dans la partie précédente, nous avons vu les différents instruments que l'homme a fabriqués et utilisés pour mesurer le temps et rythmer sa vie. Les
premiers instruments de mesure étaient rudimentaires. On pouvait leur
reprocher une durée de fonctionnement limitée, une certaine
imprécision et surtout un manque d'autonomie. Les mêmes
imperfections caractérisèrent les premières horloges mécaniques, à moindre échelle. Dans la première moitié du XXème siècle, ont été crées les horloges à quartz afin d'améliorer
certaines aspects de la vie de tous les jours comme les transports, la télévision
ou les téléphones portables. Ces horloges sont basées sur des
propriétés physique et chimique de certains matériaux.
Jusqu'en 1960, la mesure du temps fondée sur la rotation terrestre reposait sur le postulat de reproductibilité, appliqué à la durée moyenne d'un jour, puis à la période de rotation de la Terre. Ayant reconnu les inégalités de cette rotation, on a simplement fait une petite correction empirique, à partir de 1955, pour éliminer une fluctuation annuelle. On avait pris conscience que le temps solaire n'était pas une bonne mesure du temps et on cherchait une meilleure horloge que la rotation de la Terre.
Entre 1960 et 1967, pour baser la définition de la seconde sur la dynamique, il suffira de fixer numériquement la durée d'un phénomène particulier. Le phénomène choisi par l'Union Astronomique Internationale, en 1952, fut l'année sidérale de 1900, durée comptée entre deux passages du Soleil par l'équinoxe supposée fixe. Vers 1960, on supposa que la seconde pouvait être réalisée à 2.10^-9 près, par l'analyse d'observations astronomiques étendues sur plusieurs années. Cette seconde, dite « seconde des éphémérides », était définie comme un objet unique mais elle était plongée dans le passé, 1900.
Depuis 1967, une définition atomique est donnée pour la seconde. Cette idée de définition ne résulte pas d'un travail d'une seule année mais de recherches et de réflexions de plus d'un scientifique sur des dizaines d'années. Dès 1875, Maxwell et Kelvin suggérèrent que la longueur d'onde d'une raie spectrale et que la durée de la période de la radiation correspondante pourraient permettre, respectivement, de définir l'unité de longueur et l'unité de temps. Ces propositions étaient véritablement prophétiques puisque la définition du mètre a été basée sur la longueur d'une raie spectrale à partir de 1960.
Depuis 1967, une définition atomique est donnée pour la seconde. Cette idée de définition ne résulte pas d'un travail d'une seule année mais de recherches et de réflexions de plus d'un scientifique sur des dizaines d'années. Dès 1875, Maxwell et Kelvin suggérèrent que la longueur d'onde d'une raie spectrale et que la durée de la période de la radiation correspondante pourraient permettre, respectivement, de définir l'unité de longueur et l'unité de temps. Ces propositions étaient véritablement prophétiques puisque la définition du mètre a été basée sur la longueur d'une raie spectrale à partir de 1960.
La première horloge atomique fut réalisée en 1948 par Lyons. La référence était une raie d'absorption intense de la molécule d'ammoniac à 24 GHz. La fréquence d'un oscillateur à quartz, dont des impulsions marquant le temps étaient dérivées, et était contrôlée par la résonance moléculaire. Cependant, la stabilité à long terme n'était pas meilleure que celle des horloges à quartz et cette voie fut abandonnée. |
| Ramsey |
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| Rabi |
A la fin des années 1930, Rabi et ses élèves discutèrent de la possibilité d'utiliser la méthode de la résonance magnétique sur un jet atomique pour réaliser une horloge atomique, en y suggérant l'emploi du césium. En 1955, Essen et Parry réalisèrent la première horloge atomique à jet de césium stable et satisfaisante. Cette première horloge n' aurait jamais vu le jour sans la mise point d'une méthode permettant l'amélioration de l'interaction onde électromagnétique-atomes, par Ramsey en 1950. Zacharias, élève de Rabi, développa des prototypes industriels d'horloges à jet de césium qui furent commercialisés à partir de 1956. En 1967, Les inexactitudes de fréquence des étalons étaient réduites à 10^-12 et l'on a décidé de ne plus attendre davantage pour donner une définition atomique à l'unité de temps. Ce fut accompli par la 13ème Conférence générale des poids et mesure, en 1967 :
« La seconde du système international d'unité est 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 ».
A partir de cette définition théorique, ont été définis différents systèmes de temps :
- UT1 : il s’agit du Temps Universel, c’est le temps solaire du méridien de Greenwich.
- TAI : Temps Atomique International qui correspond à la moyenne des 230 horloges atomiques commerciales de haut niveau réparties dans 65 laboratoires à travers le monde.
- UTC (ou TUC) : Temps Universel Coordonné : un compromis entre le TAI et le UT1, adopté en 1972.
Ce temps universel est obtenu grâce aux 400 horloges atomiques dispersées dans le Monde. Celles ci sont en permanence reliées entre elles par informatique et les chercheurs définissent le T.U.C. en faisant la moyenne arithmétique des mesures de chaque horloge (en ayant tenu compte des fuseaux horaires dans lesquels sont situés chaque horloge atomique). Ce temps universel coordonné est bien sûr défini en GMT c'est-à-dire qu'il donne l'heure au méridien 0 (Le Méridien de Greenwich ). Notons que la France a d'ailleurs été l'un des précurseurs en la matière : en plus d'accueillir à le Bureau International des Poids et des Mesures à Sèvres, elle totalise pas moins de 20 horloges atomiques sur son territoire (essentiellement situées dans des observatoires scientifiques).
- TAF : Temps Atomique Français, il est construit comme le TAI mais à l’échelle nationale.
