10 faits étranges sur les horloges atomiques

Le terme "horloge atomique" peut évoquer des images mentales effrayantes de films d'horreur des années 1950 : un appareil Doomsday , construit par un maniaque portant une blouse de laboratoire dans une forteresse de montagne, fait tic tac les secondes avant d'anéantir notre planète entière. En réalité, cependant, les horloges atomiques sont l'une des inventions les plus bénignes à émerger de l'explosion - oups, peut-être pas le meilleur choix de mot - des connaissances sur le fonctionnement de l'atome et de ses parties. Cette connaissance est venue à la suite du projet Manhattan de la Seconde Guerre mondiale pour développer la bombe atomique.

Contrairement à la bombe , cependant, les horloges atomiques ne divisent pas les atomes et elles n'explosent pas. Au lieu de cela, ils utilisent l'oscillation - c'est-à-dire le changement dans le flux de charge électrique - entre le noyau d'un atome et ses électrons environnants, de la même manière qu'une horloge grand-père à l'ancienne pourrait utiliser un pendule. Parce que l'oscillation d'un atome implique des unités de temps incroyablement petites - un atome de césium, par exemple, a une fréquence de 9 192 631 770 cycles par seconde - et est extraordinairement cohérente, une horloge réglée sur cette oscillation peut garder le temps bien mieux que ce vieux grand-père horloge [source : Britannica ].

C'est pourquoi, depuis leur invention à la fin des années 1940, les horloges atomiques sont devenues un outil essentiel dans un monde moderne dépendant de la technologie. Les horloges atomiques permettent de synchroniser l'heure sur des systèmes complexes, allant d'Internet au système des satellites de positionnement global.

Mais pour quelque chose qui est devenu une partie tellement normale et utile de nos vies, les horloges atomiques restent encore un peu obscures et mystérieuses. Voici quelques-uns des nombreux faits étranges et surprenants concernant ces appareils utiles.

1. Les horloges atomiques ont changé la façon dont nous calculons les unités de temps courantes
2. Une horloge atomique utilise un seul électron de chaque atome de césium pour garder l'heure
3. Les horloges atomiques sont incroyablement fiables maintenant, mais les premières ne l'étaient pas
4. Le césium, la substance utilisée dans les horloges atomiques, est une sorte d'élément bizarre
5. Une horloge atomique utilise en fait un morceau de quartz, pas un atome de césium, pour indiquer l'heure
6. En 2008, une seconde a été ajoutée simultanément à chaque horloge atomique sur Terre
7. Une horloge atomique a été utilisée pour prouver que plus vous vivez au-dessus du niveau de la mer, plus vous vieillissez vite
8. Les scientifiques rendent les horloges atomiques plus précises en utilisant des faisceaux laser
9. Les horloges atomiques rendent vos conversations téléphoniques compréhensibles
10. Une horloge atomique de nouvelle génération pourrait être capable de rester parfaitement à l'heure avec l'univers

À l'époque où les humains ont commencé à suivre le passage du temps il y a des milliers d'années, ils l'ont fait en observant le mouvement apparent du soleil dans le ciel - qui était en fait dû à la rotation de la Terre - et en basant des unités de temps sur ce voyage. Traditionnellement, par exemple, une seconde était définie comme 1/86 400 de la durée moyenne d'un jour solaire.

Mais avec l'avènement des horloges atomiques , qui étaient bien plus fiables que le mouvement de la Terre lui-même, il est devenu nécessaire de changer cette norme. En 1967, la seconde a été redéfinie comme le temps qu'il a fallu à un atome de l'isotope césium 133 pour osciller de 9 192 631 770 cycles [source : Sciencemuseum.org.uk ].

Comme nous l'avons expliqué précédemment, les électrons orbitent autour du centre d'un atome , appelé noyau. Imaginez une version extrêmement petite de notre système solaire, avec des planètes tournant autour du soleil, et vous aurez l'idée générale. Les physiciens ont découvert que les électrons sont incroyablement réguliers dans leurs mouvements - ils ont tendance à rester dans une plage étroite d'orbites, la distance du noyau étant déterminée par la quantité de rayonnement qu'ils émettent à un moment donné. La distance entre l'orbite la plus basse et l'orbite la plus haute dans laquelle un électron se déplace est la fréquence.

Dans le cas du césium, qui est utilisé dans les horloges atomiques , les scientifiques se concentrent sur un seul des 55 électrons de l'élément - le plus externe, qui occupe une orbite nettement plus élevée que les autres. La différence d'énergie entre l'orbite la plus proche de l'électron le plus à l'extérieur du noyau et son orbite la plus éloignée correspond à une fréquence radio de 9 192 631 770 cycles. C'est la partie que les scientifiques utilisent réellement pour calculer le temps et le diviser en unités incroyablement brèves de moins d'un milliardième de seconde [source : Sciencemuseum.org.uk ].

En 1948, le National Bureau of Standards des États-Unis a construit la première horloge atomique au monde . Au lieu de césium, la première horloge utilisait des atomes d'ammoniac, qui étaient chauffés et expulsés d'un tuyau de cuivre. Alors que la première horloge a prouvé que le concept des horloges atomiques fonctionnait, elle n'a jamais été utilisée pour le chronométrage. La première horloge atomique était décalée d'environ une seconde tous les quatre mois. Cela la rendait moins fiable qu'une technologie existante, l' horloge à quartz , qui mesurait l'oscillation d'un morceau de quartz lorsqu'une charge électrique lui était appliquée.

Finalement, les scientifiques sont passés à l'utilisation de césium, qui avait des oscillations plus courtes, et ont amélioré la conception de diverses manières. Un modèle de 1959 a réussi à garder le temps avec une erreur d'une seconde par 2 000 ans, et en 1964, les horloges étaient devenues si précises qu'il leur a fallu 6 000 ans pour perdre ou gagner une seconde. Aujourd'hui, une horloge atomique à la pointe de la technologie ne serait décalée que d'une seconde après 6 millions d'années d'utilisation [source : Sciencemuseum.org.uk ].

Pour commencer, il est parfois orthographié "césium". Le césium a été découvert en 1860 par Robert Bunsen, mieux connu des lycéens en chimie comme l'inventeur du bec Bunsen. Et c'est une chose si étrangement fascinante qu'au début des années 1990, elle a inspiré la création d'un groupe de discussion sur Internet, Alt.cesium, consacré à "la discussion, la louange, la vénération et l'adoration, la publication de chansons, de poésie, d'histoires et de paraboles de et sur cet élément des plus sublimes" [source : Nelson ]. Communément appelé "l'autre métal doré", c'est l'un des trois seuls métaux qui ne sont pas de couleur grise ou argentée brillante (les deux autres sont l'or et le cuivre) [source : Scientific American ].

Le type de césium présent dans la nature, le césium 133, est assez difficile à localiser. La source naturelle qui en produit la plus grande quantité est un minéral rare appelé pollucite, qui aux États-Unis se trouve dans le minerai du Maine et du Dakota du Sud. Bien qu'il s'agisse d'un métal, le césium fond à très basse température - 82 degrés Fahrenheit (22,7 degrés Celsius) - et explose au contact de l'eau froide [source : Argonne National Laboratory ]. Dans l'air, il s'enflamme parfois spontanément, brûlant d'une brillante flamme bleu ciel [source : Nelson ].

Vous êtes probablement un peu déconcerté par cela, étant donné que nous avons passé tout ce temps à vous dire à quel point une horloge atomique est plus précise en raison de son utilisation de l' oscillation du césium. Mais la partie de l'horloge qui garde réellement le temps est un oscillateur à cristal de quartz standard, qui soumet un morceau du cristal à un courant électrique pour le faire vibrer. La différence est que dans la plupart des horloges à quartz ordinaires, l'oscillateur est réglé avec précision lors de la construction de l'horloge, mais sa fréquence n'est jamais vérifiée ou ajustée par la suite, ce qui signifie qu'au fil du temps, de légères variations se développent qui rendent l'horloge un peu rapide ou un peu lente. Dans une horloge atomique, cependant, l'oscillation du césium est utilisée pour vérifier la fréquence du dispositif à quartz, ce qui donne à l'horloge une précision aussi étonnante [source : Sciencemuseum.org.uk ].

Juste avant 19 heures le 31 décembre 2008, les scientifiques ont avancé les horloges atomiques du monde entier d'exactement une seconde, afin de synchroniser le temps universel coordonné (UTC), la norme internationale pour les horloges atomiques, avec la rotation de la Terre. Ce ne sont pas les horloges qui étaient éteintes, mais plutôt la planète, dont la vitesse de rotation est ralentie d'environ deux millisecondes chaque jour par une variété de freins : poussière spatiale, orages magnétiques, vents solaires, résistance de sa propre atmosphère, et surtout , le remorqueur de la gravité de la lune sur Terre, qui non seulement provoque des marées océaniques, mais fait également gonfler la planète entière.

L'effet de tout cela est d'allonger le jour solaire et de le décaler légèrement par rapport à nos horloges atomiques ultra-précises. Il faudrait des centaines d'années pour que l'écart devienne perceptible, de sorte que la position du soleil dans le ciel serait différente de l'heure d'une horloge domestique (que vous avez probablement réglée en fonction de l'heure exacte du numéro de téléphone, qui est basé sur l'UTC). Pour éviter que cela ne se produise, en 1972, un accord international a décrété que les horloges atomiques seraient périodiquement ajustées à l'unisson [source : Dowling ].

L'idée que quelqu'un qui vit sur une montagne vieillisse plus vite qu'une personne qui vit sur la plage peut sembler un peu absurde, mais c'est en fait la vérité. Ce concept a été avancé pour la première fois il y a environ un siècle par le physicien Albert Einstein , dont la théorie de la relativité restreinte postulait que le temps n'est pas constant, mais relatif. (C'est pourquoi ils l'appellent la relativité.) En 2010, James Chin-Wen Chou et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mené une expérience pour tester le raisonnement d'Einstein. Ils ont placé deux horloges atomiquesenviron 30 centimètres l'un de l'autre au-dessus du niveau de la mer, et a constaté que la plus haute des deux horloges tournait légèrement plus vite. En termes réels, cependant, la différence ne serait pas perceptible ; le montagnard vieillirait environ 90 milliardièmes de seconde plus vite sur une durée de vie de 79 ans, selon Chou [source : Connor ].

Si vous avez déjà vu cette scène dans le film "Goldfinger" au cours de laquelle le méchant menace de couper James Bond en deux avec un laser, vous vous demandez probablement pourquoi un laser ne percerait pas un trou dans une horloge atomique, au lieu de le faire fonctionner plus précisément. Mais il peut en fait faire ce dernier. Soyez indulgent car cela devient assez compliqué.

Les horloges atomiques bombardent essentiellement les atomes de césium avec des micro-ondes pour susciter une action, que les scientifiques peuvent ensuite mesurer. La limitation des horloges atomiques conventionnelles est qu'elles ne peuvent capturer qu'une petite partie des atomes de césium avec les micro-ondes. En soumettant les atomes à un faisceau laser - un processus appelé pompage optique laser - vous pouvez ralentir la vitesse des atomes, ce qui donne aux micro-ondes plus de chances de les atteindre. Cela, à son tour, donne un signal plus précis, ce qui permet aux scientifiques d'utiliser l'oscillation au césium pour marquer le temps avec encore plus de précision. Curieusement, le processus refroidit également les atomes de césium, jusqu'à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu sur l'échelle Kelvin [source : Buell et Jaduszliwer ].

De nos jours, les entreprises de télécommunications transmettent les appels téléphoniques en petits morceaux appelés paquets, ce qui leur permet de pomper un grand nombre de conversations à travers leurs fils en même temps. Lorsque vous appelez quelqu'un dans une autre ville, vos mots sont interrompus et transmis entre les ordinateurs à chaque extrémité, qui vont et viennent d'une conversation à l'autre, des milliers de fois par seconde. Pour que cela fonctionne, cependant, les deux ordinateurs doivent rester parfaitement synchronisés, comme une paire de joueurs de ping-pong incroyablement agiles qui peuvent se frapper l'équivalent d'un camion de petites balles à une vitesse fulgurante et ne jamais en manquer une seule. S'ils manquent, les appels seront mélangés et sonneront comme du charabia. C'est pourquoi les entreprises de télécommunications ont aujourd'hui leurs propres horloges atomiques pour éviter que cela ne se produise, en gardant les ordinateurs presque parfaitement en phase les uns avec les autres à tout moment [source : Sciencemuseum.org.uk].

Les scientifiques continuent d'imaginer des façons de fabriquer des horloges atomiquesde plus en plus précis, mais des chercheurs du Georgia Institute of Technology et de l'Université du Nevada ont récemment proposé une avancée vraiment époustouflante. En termes très simplifiés, voici le problème : ils veulent utiliser des lasers pour réorganiser les morceaux d'un atome, afin qu'ils puissent utiliser un neutron en orbite, plutôt qu'un électron, comme l'équivalent d'un pendule. Le résultat pourrait être une horloge qui serait 100 fois plus précise que toutes celles qui existent actuellement, si précise qu'elle ne perdrait ou ne gagnerait que moins d'un vingtième de seconde en 14 milliards d'années. Considérez ceci : l'univers lui-même a environ 14 milliards d'années, donc si cette horloge pouvait d'une manière ou d'une autre être renvoyée dans une machine à voyager dans le temps au moment du big bang qui a tout déclenché, elle tournerait encore aujourd'hui,Quotidien des Sciences ].

Note de l'auteur

J'ai toujours été fasciné par le chronométrage et les horloges, et en tant qu'élève du primaire dans les années 1960, j'ai découvert pour la première fois la merveille des horloges atomiques qui pouvaient mesurer de minuscules unités de temps avec une précision incroyable. Mais jusqu'à ce que je commence à faire des recherches pour cette pièce, il ne m'était jamais venu à l'esprit qu'il était possible de construire une horloge qui soit plus précise à l'heure que la rotation de la Terre. Mais puisque les horloges atomiques ont été utilisées pour prouver la théorie d'Einstein selon laquelle le temps est relatif à sa position et à sa vitesse plutôt que constant, je dois me demander s'il existe vraiment une heure correcte. Je pense que je vais m'en servir comme excuse la prochaine fois que je serai en retard pour une échéance !

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