Activité documentaire – Référentiels et horloges

Activité documentaire – horloges et mesure du temps
Doc 1 – Qu’est-ce qu’une horloge ?
Le sentiment subjectif primitif du flux du temps nous rend capables d’ordonner nos impressions, de
juger si un événement a lieu avant, pendant ou après un autre. Mais pour montrer que l’intervalle de
temps entre deux événements est de dix secondes, nous avons besoin d’une horloge. Par l’emploi de
l’horloge, le concept de temps devient objectif. Un phénomène physique quelconque peut servir
d’horloge, pourvu qu’il se répète exactement autant de fois qu’on le désire. En prenant pour unité de
temps l’intervalle entre le commencement et la fin d’un tel événement, des intervalles de temps
arbitraires peuvent être mesurés par la répétition de ce processus physique. Toutes les horloges,
depuis le simple sablier jusqu’aux instruments les plus raffinés, reposent sur cette idée.
Sablier
horloge à balancier
horloge atomique
Une horloge doit présenter la plus grande :
précision (ou exactitude) : la seconde mesurée doit être la plus proche possible de l’étalon de temps
définissant 1 seconde ;
stabilité : la seconde mesurée doit varier le moins possible ;
universalité : la possibilité de mesurer le temps doit être offerte partout et en toutes circonstances.
Doc 2 – La définition de la seconde
L'échelle du temps humain se base sur la rotation de la Terre autour de son axe
(jour) et sur l'orbite terrestre autour du Soleil (année). Des mesures de temps de
plus en plus précises ont toutefois révélé que ces mouvements de corps
célestes ne sont pas suffisamment constants pour répondre à des exigences
d'exactitude élevées ; aussi l'unité de temps est-elle aujourd'hui déterminée à
l'aide d'un processus atomique. Depuis 1967, l’unité de temps est définie
comme telle :
la seconde est la durée de 9192631770 périodes de la radiation correspondant
à la transition entre deux niveaux dits « hyperfins » de l’état fondamental de
l’atome de césium 133.
Doc 3 – Mesurer le temps avec des atomes ?
Le principe d'une horloge atomique est basé sur un aspect fondamental de la physique quantique : un
atome peut exister sous différents niveaux d'énergie qui sont quantifiés, c'est-à-dire que l'énergie d'un
atome ne peut prendre que des valeurs discrètes, caractéristiques de la nature de l'atome (hydrogène,
césium, etc…).
Pour faire passer un atome d'un niveau d'énergie à un autre plus élevé (on parle de transition), il doit
recevoir un photon dont l'énergie correspond exactement à la différence d'énergie entre le niveau final
et le niveau initial. Or, l'énergie transportée par un photon est directement proportionnelle à la
fréquence de l'onde électromagnétique associée. Puisque les différences d'énergie entre les états d'un
atome ont des valeurs parfaitement définies, il en est de même de la fréquence de l'onde
électromagnétique pouvant changer leur état (absorption), ou pouvant être générée par leur
changement d'état (émission).
Pour construire une horloge, il suffit donc d'utiliser la fréquence de cette onde électromagnétique et de
compter ses périodes. Ainsi, de la même façon qu'une horloge comtoise comptabilise les oscillations
de son balancier (en faisant avancer les aiguilles de son cadran à chaque période), ou qu'une horloge
à quartz comptabilise les périodes des vibrations de son oscillateur à quartz, une horloge atomique
comptabilise les périodes de l'onde électromagnétique ayant provoqué le changement d'état d'atomes
(étalons passifs) ou ayant été générée par ce changement d'état (étalons actifs).
L'horloge atomique la plus stable et la plus exacte (elle est exacte par définition, puisque la seconde
est définie par rapport à son fonctionnement) est actuellement l'horloge atomique à jet de césium. Son
fonctionnement, illustré par la figure ci-dessous, peut être résumé de la façon suivante :
cavité de Ramsay
(lieu du rayonnement
microonde de fréquence
proche de la fréquence
propre du césium)
HORLOGE ATOMIQUE AU CESIUM 133
T ri puis comptage
des atomes de niveau
énergétique B
refroidissement des atomes
de césium par lasers
jet atomique continu
niveau énergétique A
ASSERVISSEMENT
La fréquence micro-onde
est réglée de manière à compter
le maximum d'atomes
de niveau B
Un oscillateur à quartz génère un signal électrique de fréquence 10 MHz aussi exact que possible ;
Un dispositif électronique multiplie la fréquence de base du signal issu de l'oscillateur à quartz pour
obtenir une onde électromagnétique dont la fréquence vaut 9.192.631.770 Hz ;
Cette onde très haute fréquence est injectée dans un guide d'onde nommé cavité de Ramsey, dont la
géométrie est telle qu'il entretient une résonance à cette fréquence particulière ;
Un four envoie un jet d'atomes de césium 133, qui, au départ, se trouvent dans plusieurs états
d'énergie différents (symbolisés par état A et état B sur la figure) ;
Un système de déflexion magnétique dévie les atomes qui ne sont pas dans l'état A : seuls les
atomes dans l'état d'énergie A pénètrent dans la cavité de Ramsey ;
Si la fréquence injectée dans la cavité a très exactement la valeur 9.192.631.770 Hz, un grand
nombre d'atomes passe de l'état A à l'état B ;
Un second système de déflexion magnétique sépare la direction des atomes dans l'état A de celle
des atomes dans l'état B ;
Un détecteur, placé sur le trajet des atomes dans l'état B, compte le nombre d'atomes reçus ;
En fonction de la réponse du détecteur, un système modifie la fréquence du quartz de telle sorte que
le nombre d'atomes détectés dans l'état B soit maximal (boucle d'asservissement).
C'est donc un oscillateur à quartz qui est à la base d'une horloge atomique à jet de césium, les atomes
de césium n'étant là que pour contrôler et ajuster la fréquence du signal généré par le quartz.
Questionnaire (Doc 1, 2 & 3)
1 . Quel est le phénomène physique concernant le césium 133 sur lequel s’appuient la précision et la
stabilité des horloges atomiques ?
2 . Quelles sont les propriétés des atomes qui expliquent leur utilisation au sein des horloges
atomiques ?
3 . Quel est l’ordre de grandeur de l’énergie du photon absorbé ou émis ?
4 . Une horloge au césium a une précision de l’ordre de 10-8 s par jour. Comparer la variation possible
de la durée d’une journée mesurée par l’horloge à la période de cette horloge.