Combien dure une seconde? Depuis le cadran solaire, le sablier, l'horloge mécanique et l'horloge électrique, bien des progrès ont été réalisés et, au milieu du XXe siècle, l'horloge atomique a pris le pouvoir. Elle a permis la naissance des systèmes GPS, des communications mondiales avancées ou de tests de physique sur les constantes de l'Univers. Mais le temps des horloges atomiques semble révolu au profit des horloges à réseau optique, bien plus précises. Ce qui entraînerait de facto une redéfinition de la seconde, pourtant déjà l'une des plus précises de toutes les unités de mesure.

Yterbium et strontium

Il y a deux grandes catégories d'horloges atomiques. Les «atomiques micro-ondes» sont les plus anciennes et les plus répandues. On envoie une impulsion d'énergie à un atome (le césium) qui répond de manière très précise et donne la «pulsation» du temps. La deuxième catégorie est celle des horloges à réseau optique, où des lasers excitent les atomes.

Pour ces horloges d'ultraprécision, il y a deux chiffres importants : l'exactitude à un moment donné et la stabilité au cours du temps

Une équipe italo-américaine vient de présenter des résultats spectaculaires, publiés dans la revue Science, avec une horloge à réseau optique. Il faut savoir que, pour ces horloges d'ultraprécision, il y a deux chiffres importants: l'exactitude à un moment donné et la stabilité au cours du temps. C'est sur ce dernier paramètre qu'en utilisant des atomes d'ytterbium les chercheurs ont obtenu une stabilité de 1018 (1 suivi de 18 zéros). Ce qui veut dire qu'elle ne variera pas pendant des centaines de millions d'années. Une équipe française a obtenu une stabilité légèrement inférieure en utilisant des atomes de strontium. «Oui, c'est vrai, reconnaît Jérôme Lodewyck, chercheur CNRS à l'Observatoire de Paris et membre du LNE au système de référence temps-espace. Mais nous avons aussi travaillé sur le paramètre de l'exactitude.»

Les deux expériences donnent des résultats surpassant la précision actuelle de la définition de la seconde: «Unité de temps équivalent à la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transmission entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133.» On est loin du plus perfectionné des dispositifs créés par l'horlogerie «classique».

Pourquoi les horloges «optiques» sont-elles plus précises que leurs sœurs «micro-ondes»? «C'est parce qu'elles fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées, explique Jérôme Lodewyck. Donnant ainsi une résolution du temps bien meilleure.» La seconde est ainsi découpée en beaucoup plus de tranches.

Pourquoi est-ce aussi important? «L'une des forces de ces dispositifs, c'est la mesure des intervalles de temps, poursuit le chercheur. C'est comme cela que fonctionnent les satellites GPS ou Galileo, par une mesure du temps qu'il faut à un signal pour parcourir une distance donnée. Mais cela est aussi important pour Internet, par exemple, pour compter un nombre de clics, ceux-ci ayant une durée de l'ordre de la nanoseconde (un milliardième de seconde).» Les applications concernent aussi la physique fondamentale (tests de la relativité générale) ou les sciences de la terre (géodésie relativiste).

Consensus politique

«Les horloges optiques sont les plus récentes et même si elles doivent encore faire leurs preuves, elles devraient sans doute supplanter les autres un de ces jours, estime Jérôme Lodewyck. Pour revoir la définition internationale de la seconde, le processus sera très long, car il faut faire des comparaisons internationales et intercontinentales. Et parvenir à un consensus plus “politique”. Ainsi du choix de l'atome qui sera dans l'horloge optique. Nous avons choisi le strontium un peu par flair et expérience, un peu par hasard. Et ça marche. Mais d'autres atomes pourraient être choisis.»

Les horloges optiques vont être comparées à celles d'autres réseaux européens par le biais d'un réseau de fibres optiques. Début 2016, elles seront aussi comparées à l'horloge atomique à césium dernier cri de la mission Pharao-Aces (sous l'égide du Cnes et de l'ESA), qui sera placée dans la Station spatiale internationale.