Combien dure une seconde ? La saga des horloges atomiques

Tout le monde a entendu parler du système de positionnement par GPS qui est de plus en plus utilisé par les particuliers, par exemple les randonneurs ou les navigateurs, ou bien par des entreprises, comme la RATP qui localise ses bus à l'aide du GPS. Demain, le trafic aérien atterrissage et décollage compris sera peut-être géré à l'aide du GPS ou d'un système analogue. Toutes ces applications n'existeraient pas aujourd'hui sans la combinaison de la précision des horloges atomiques, de l'ordre de quelques milliardièmes de seconde, et de leur mise en orbite à bord de plu­ sieurs dizaines de satellites. Notons au passage qu'il faut pour cela tenir compte de la théorie de la relativité, qui prédit que l'écoulement du temps mesuré par une horloge dépend de sa vitesse et de son altitude. La comparaison des horloges satellitaires et terrestres le démontre d'ailleurs amplement. Avec ce système de positionnement, on n'en est plus à vérifier la relativité ; on s'en sert dans des objets d'usage courant !

Pour bien apprécier cette révolution, il faut savoir pourquoi les horloges atomiques sont si précises et comment elles en sont venues à remplacer les corps célestes dans la mesure du temps.

La " seconde des physiciens >> est aujourd'hui telle­ ment stable qu'elle permet d'étudier en détail les irrégularités de la rotation terrestre voire même la dérive des continents et donc des observatoires astronomiques (quelques centimètres par an). Cela montre que l'astronomie a aussi largement bénéficié de cette évolution inévitable.

Toute évolution produit des fossiles, mais le passage au temps atomique en a fabriqué un particulièrement coriace, l'heure de Greenwich ou GMT. Comme le système horaire ne dépend plus directement du passage de certaines étoiles par le méridien de Greenwich, l'heure GMT aurait normalement dû disparaître voici plusieurs dizaines d'années, pour faire place au Temps universel coordonné. Comme on peut le constater tous les jours, l'u­ sage commun n'a pas suivi les recommandations de la Conférence Générale des Poids et Mesures ! Je vous laisse découvrir la façon dont Tony Jones nous raconte avec beaucoup d'humour comment les choses se sont passées au Royaume-Uni.

Cela prouve déjà que nous n'en sommes plus à ajuster le nombre de jours par an, mais bien le nombre de secondes par an, ce qui donne la mesure des progrès accomplis. Qui sont ces scientifiques, et qui leur a donné ce pouvoir d'agir à leur gré sur la durée de l'année ? Pourquoi cet ajout est-il si irrégulier qu'on doive réexaminer la question tous les six mois ? Peut-être est-ce cette irrégularité qui a empêché la " révolution " des secondes intercalaires d'acquérir la même notoriété que ses aînées ? Ou bien est-ce dû à la durée minime de l'ajustement ? Il faut bien reconnaître qu'une seconde de plus ou de moins, ça vous a moins d'allure qu'un 29 février tous les quatre ans ; mais, tout de même, une minute de 61 secondes, voilà qui n'est pas ordinaire ! À moins tout bonnement que cette réforme ne demeure méconnue parce qu'on ne peut lui associer le nom d'une seule personne. Jules César et Grégoire XIII, à défaut d'avoir été les promoteurs scientifiques de leurs réformes, en ont été les " décideurs >> politiques, ce qui fait que leurs noms y sont restés attachés ... et que peu de gens connaissent Sosigène, l'astronome d'Alexandrie<< consultant>> de Jules César, et Clavius, l'un de ses homologues grégorien. Rien de tel pour les secondes intercalaires : pas de décideur unique, pas de savant unique. Mais, quelle que soit la raison de notre méconnaissance de cette réforme, nous avons ici une occasion de la combler grâce à ce livre.

Que l'on me permette, pour finir, d'évoquer un souvenir personnel. Lors d'un des premiers cours de physique auquel j'assistais, je suis littéralement tombé en arrêt devant la nouvelle définition de la seconde, qui datait à peine de deux ans : << La seconde 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.

Pourquoi 9 192 631 770 périodes ? Pourquoi le césium ? Qu'est-ce qu'un état fondamental ? Et un niveau hyperfin ? Même s'il me fallut un certain nombre d'années avant d'être en mesure de comprendre la réponse à ces questions, je me mis tout de même, à l'époque, à compulser diverses encyclopédies pour essayer d'en savoir un peu plus. Et ce qui devait arriver arriva : la définition de la seconde atomique était trop récente, et je ne pus dénicher ... que de longues explications sur le temps des éphémérides et la durée de l'année tropique en 1900 (soit dit en passant, je fus un peu surpris de l'existence d'un 0 janvier 1900). Cela m'apprit au moins deux choses : la science peut évoluer à vue d'oeil, et même la définition de ses unités de mesure ses " dix commandements " est susceptible de changer sur une brève échelle de temps.