Croyez-le ou non, au lieu d'un kilo de pommes ou de poires, vous pouvez demander à être vendu la bonne quantité en quelques secondes.
La civilisation moderne serait impossible sans mesures, et les mesures n'auraient aucun sens si les mêmes unités de mesure n'étaient pas utilisées partout dans le monde. Depuis de nombreuses années (près de 150), les métrologues du monde entier se sont mis d'accord sur des définitions strictes des unités de mesure par l'intermédiaire du Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), situé en France, près de Paris. Le BIPM régit actuellement sept unités de base qui régissent le temps, la longueur, la masse, le courant électrique, la température, l'intensité lumineuse et la quantité de matière. Ensemble, ces unités ne sont rien d'autre que le langage de la science, de la technologie et du commerce modernes.
Mais les scientifiques affinent constamment ces normes généralement acceptées. En 2018, de nouvelles définitions du kilogramme (masse), de l'ampère (courant), du kelvin (température) et de la mole (quantité de matière) ont été approuvées. Cela semble fantastique, mais maintenant, à l'exception de la taupe, toutes les normes sont soumises à une chose : le temps. Un mètre, par exemple, est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458e de seconde. De la même manière, maintenant la définition d'un kilogramme est basée sur une seconde et comprendre comment faire cela n'est pas si difficile.
Cela signifie que théoriquement, bien que ce ne soit pas clair pour tout le monde, vous pouvez déterminer le poids ou la longueur en quelques secondes.
La science ne reste pas immobile, maintenant ils ont décidé de prendre une seconde et de lui donner une nouvelle définition, cependant, reconnaissant que toute l'architecture des mesures globales dépend de cette valeur, ils promettent de ne pas changer sa durée. Intrigué? Plongeons-nous ensuite dans l'histoire du problème.
Autrefois, les gens déterminaient l'heure en regardant le ciel. Mais depuis 1967, les métrologues se sont mis d'accord pour déterminer le temps en mesurant les processus à l'intérieur de l'atome, en comptant, magnifiquement parlant, le battement de cœur éternel de l'Univers. Mais le temps est encore étroitement lié aux principes de sa mesure astronomique. Initialement, le temps était déterminé par la trajectoire de la Terre dans sa rotation quotidienne, du jour à la nuit et inversement. À un moment donné, les anciens astronomes égyptiens, utilisant un système de numérotation duodécimal (basé sur 12), divisaient le jour et la nuit en 12 heures chacun, donnant 24 heures dans une journée.
Mais les heures différaient en durée selon l'endroit où la Terre se trouvait sur son orbite autour du Soleil. Il y a un peu plus de 2000 24 ans, les astronomes grecs qui avaient besoin de valeurs fixes pour calculer, par exemple, le mouvement de la lune, ont eu l'idée révolutionnaire qu'un jour devait être divisé en 60 heures d'égale durée. La même pensée "astronomique" les a amenés à appliquer l'ancienne méthode babylonienne de comptage jusqu'à 360 (sexagésimal) aux horloges. Tout comme ils ont divisé les 60 degrés du cercle ou de la sphère de la Terre en 60 parties ou minutes, ils ont divisé chaque minute en XNUMX secondes.
La première division du jour (connue en latin sous le nom de partes minutae primae) leur donnait la durée d'une minute, soit 1/1440e d'un jour solaire moyen. La deuxième division (partes minutae secundae) leur donnait la durée - et en même temps le nom - d'une seconde, soit 1/86 400e de jour. En fait, cette définition a duré jusqu'en 1967.
Mais les problèmes n'ont pas disparu. La terre ralentit progressivement sa rotation quotidienne ; les jours s'allongent un peu, la seconde astronomique aussi. Ces petites différences s'additionnent. Ils écrivent que, sur la base de l'extrapolation des éclipses historiques et d'autres observations, la Terre en tant qu'outil de détermination du temps (comme une horloge !) a perdu plus de trois heures au cours des 2000 dernières années - pas un si mauvais résultat pour un chronomètre de poignet , mais ne convient pas à une approche scientifique.
Il s'avère que l'unité de temps standard basée sur le calcul astronomique n'est pas constante, et cette réalité est devenue de plus en plus insupportable pour les métrologues dans les premières décennies du siècle dernier, lorsqu'ils ont découvert à quel point la rotation de la Terre était inégale. Et la science exige de la constance et de la fiabilité. Comme le temps, à la fin des années 1960, la société est de plus en plus dépendante des radiofréquences, ce qui nécessite une synchronisation extrêmement précise.
A l'ère de l'atome, les métrologues se sont tournés vers l'atome, ou plutôt vers le mouvement beaucoup plus prévisible des particules atomiques. Les atomes ne s'usent ni ne ralentissent jamais. Leurs propriétés ne changent pas avec le temps. Montre parfaite. Découvrez le césium-133.
Le césium, un métal argenté-or liquide à température ambiante, possède des atomes lourds et lents, ce qui signifie qu'ils sont relativement faciles à suivre. Les scientifiques ont placé des atomes de césium dans le vide et les ont exposés à l'énergie des micro-ondes dans un champ électromagnétique invisible. Le défi consistait à déterminer quelle longueur d'onde ou quelle fréquence ferait en sorte qu'autant d'atomes de césium que possible émettent un paquet de lumière, ou un photon. Les photons ont été capturés par un détecteur et comptés. En conséquence, la longueur d'onde a été désignée comme la fréquence de résonance naturelle de l'atome.
Pour simplifier, imaginez un pendule. Un pendule qui fonctionne dans un rythme propre à ce type d'atome. Dans le cas du césium-133, la fréquence est de 9 192 631 cycles par seconde. La durée de la seconde utilisée dans l'expérience était basée sur la durée du jour en 77, lorsque les expériences scientifiques originales ont été réalisées. En 1957, les métrologues du Bureau des poids et mesures avaient établi la fréquence de résonance du césium 1967 comme durée officielle de la seconde.
Malgré cette définition basée sur le césium, le temps astronomique et le temps atomique sont toujours inextricablement liés. Premièrement, le temps atomique doit parfois être corrigé pour correspondre au temps astronomique car la Terre continue de changer de rythme à un rythme irrégulier alors que le temps atomique reste constant. Lorsque le temps atomique devient près d'une seconde plus rapide que le temps astronomique, les chronométreurs l'arrêtent un instant, permettant à la Terre de rattraper son retard - ils ajoutent une seconde supplémentaire par an.
Ainsi, bien que la durée d'une seconde ne change pas, la durée d'une minute change de temps en temps. Après avoir initialement ajouté 10 secondes intercalaires en 1972, les chronométreurs ajoutent désormais une seconde intercalaire au temps atomique environ tous les ans et demi.
Aussi étrange que cela puisse paraître, nous comptons toujours les secondes de l'ère 1957, même avec nos horloges atomiques modernes. En effet, la fréquence de résonance propre du césium 133 a été mesurée en 1957 et liée à la durée de la seconde astronomique cette année-là, un fait qui ne changerait pas même si la valeur de la seconde était à nouveau redéfinie.
Mais si oui, pourquoi la seconde est-elle une nouvelle définition ? Tout est la faute d'une autre invention scientifique - une horloge atomique optique. Ils fonctionnent sur les mêmes principes qu'une horloge au césium, mais ils mesurent des atomes qui ont une fréquence de résonance naturelle beaucoup plus élevée (conditionnellement, tic-tac). Ces fréquences sont dans la gamme visible ou optique du spectre électromagnétique et non dans la gamme des micro-ondes, d'où le nom.
Il existe plusieurs types d'horloges optiques, chacune comptant les "ticks" d'un seul atome ou ion - ytterbium, strontium, mercure, aluminium et autres.
Pourquoi, se demande-t-on, avons-nous besoin d'encore plus de précision ? En partie parce que le temps n'est pas lui-même ; elle est liée à la gravité et à la masse et est influencée par elles. Le temps (fanfare !) n'est pas non plus constant, même si l'on peut faire une telle hypothèse, sachant l'existence d'une norme internationale. La théorie de la relativité d'Albert Einstein, par exemple, suggère que le temps se déplace plus lentement lorsqu'il se trouve à proximité d'un corps massif, comme une planète, car il ralentit en raison de la gravité.
Cela signifie que si le rythme de l'horloge optique change, même légèrement, les conditions physiques dans lesquelles se trouve l'horloge peuvent également changer. La capacité de lire ces changements nous permettrait de détecter des objets tels que la matière noire ou les ondes gravitationnelles à l'aide d'horloges atomiques optiques. Horrible, non ? Continuer à lire.
En 2015, les physiciens américains commençaient à peine à développer leurs horloges atomiques optiques, et ils étaient déconcertés par le fait que les secondes étaient comptées légèrement différemment dans les horloges situées dans des laboratoires situés à des adresses différentes. La relativité en action ? Les horloges optiques peuvent-elles réagir à de petits changements de gravité ? Ils ont ordonné des mesures de la différence de hauteur entre les laboratoires où se trouvait l'horloge, car, comme le temps, la hauteur est liée à la gravité et à la masse. Les horloges étaient vraiment à des hauteurs différentes. Leurs mesures de temps légèrement différentes ont détecté des changements subtils dans le champ gravitationnel. L'horloge optique, qui ne faisait qu'un centimètre de plus que les autres, tournait plus vite !
La prédiction d'Einstein sur ce que la masse et la gravité font au fil du temps n'est pas vraiment incroyable. Il reste à apprendre à l'utiliser en pratique.
