La définition d’une seconde, l’unité la plus fondamentale de ma dans notre système de mesure actuel, n’a pas été mis à jour depuis plus de 70 ans (plus ou moins quelques milliardièmes de seconde).
Mais au cours de la prochaine décennie, cela pourrait changer : les horloges optiques atomiques ultraprécises qui reposent sur la lumière visible sont sur la bonne voie pour définir la nouvelle définition de la seconde.
Ces nouvelles versions de l’horloge atomique sont, en théorie du moins, beaucoup plus précises que l’horloge au césium étalon-or, qui mesure une seconde sur la base de l’oscillation du césium atomes lorsqu’il est exposé à micro-ondes.
“Vous pouvez considérer cela comme l’équivalent d’avoir une règle avec des graduations tous les millimètres, par opposition à un bâton qui ne mesure qu’un mètre”, a déclaré Jeffrey Sherman, chercheur à la division Temps et Fréquence de l’Institut national des normes et de la technologie à Boulder. Colorado, dit Live Science.
En juin, le Bureau international des poids et mesures pourrait publier les critères nécessaires à toute future définition de la seconde, Le New York Times a rapporté. Jusqu’à présent, aucune horloge optique n’est tout à fait prête pour les heures de grande écoute.
Mais une nouvelle définition pourrait être officiellement approuvée dès 2030, a déclaré Sherman. Le nouveau type d’horloge optique pourrait aider à démasquer matière noire, la substance invisible qui exerce une attraction gravitationnelle ; ou trouver des vestiges du Big Bang appelés ondes gravitationnelles, les ondulations dans espace-temps prédit par la théorie de la relativité d’Einstein.
Unité de mesure fondamentale
La seconde standard actuelle est basée sur une expérience de 1957 avec un isotope, ou une variante, du césium. Lorsqu’ils sont pulsés avec une longueur d’onde spécifique d’énergie micro-onde, les atomes de césium sont au maximum “excités” et libèrent le plus grand nombre possible de photons ou d’unités de lumière.
Cette longueur d’onde, surnommée la fréquence de résonance naturelle du césium, fait “cocher” les atomes de césium 9 192 631 770 fois par seconde. Cette définition initiale d’une seconde était liée à la durée d’un jour en 1957 – et cela, à son tour, était lié à des choses variables, telles que la rotation de la Terre et la position d’autres objets célestes à cette époque, selon le New York Times.
En revanche, les horloges atomiques optiques mesurent l’oscillation des atomes qui « cochent » beaucoup plus rapidement que les atomes de césium lorsqu’ils sont pulsés avec de la lumière dans la gamme visible du spectre électromagnétique. Parce qu’ils peuvent cocher beaucoup plus rapidement, ils peuvent, en théorie, définir une seconde avec une résolution beaucoup plus fine.
Il existe plusieurs prétendants pour supplanter le césium en tant que chronométreur en titre, notamment le strontium, l’ytterbium et l’aluminium. Chacun a ses avantages et ses inconvénients, a déclaré Sherman.
Pour obtenir de telles horloges, les chercheurs doivent suspendre puis refroidir les atomes jusqu’à l’épaisseur d’un cheveu du zéro absolu, puis les pulser avec la couleur précisément réglée de la lumière visible nécessaire pour exciter au maximum les atomes. Une partie du système éclaire les atomes et l’autre compte les oscillations.
Mais certains des plus grands défis consistent à s’assurer que le laser émet la bonne couleur de lumière – disons, une certaine nuance de bleu ou de rouge – nécessaire pour envoyer les atomes dans leur fréquence de résonance, a déclaré Sherman. La deuxième étape – compter les oscillations – nécessite un soi-disant peigne de fréquence laser femtoseconde, qui envoie des impulsions de lumière espacées à de minuscules intervalles, a déclaré Sherman.
Les deux éléments sont des prouesses d’ingénierie incroyablement compliquées et peuvent occuper à eux seuls une salle de laboratoire entière, a déclaré Sherman.
Utilisations des horloges optiques
Alors pourquoi les scientifiques veulent-ils des horloges atomiques toujours plus précises pour mesurer la seconde ? Ce n’est pas seulement un exercice académique.
Le temps ne marche pas simplement sur son propre tambour ; d’Einstein théorie de la relativité dit qu’il est déformé par la masse et la gravité. En conséquence, le temps peut s’écouler infiniment plus lentement au niveau de la mer, où le champ gravitationnel de la Terre est plus fort, qu’au sommet du mont Everest, où il est légèrement plus faible.
La détection de ces changements infimes dans l’écoulement du temps pourrait également révéler des preuves d’une nouvelle physique. Par exemple, l’influence de la matière noire n’a jusqu’à présent été détectée que dans la danse lointaine des galaxies encerclant les unes les autres, dans la courbure de la lumière autour des planètes et des étoiles, et dans la lumière résiduelle des Big Bang.
Mais si des amas de matière noire se cachent plus près de chez nous, des horloges ultraprécises qui détectent le minuscule ralentissement du temps pourraient les trouver.
De même, lorsque les ondes gravitationnelles font vibrer le tissu de l’espace-temps, elles écrasent et étirent le temps. Certaines des plus grandes ondes gravitationnelles sont détectées par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, une course de relais de plusieurs milliers de kilomètres pour la lumière qui mesure les échos dans l’espace-temps créés par des événements cataclysmiques tels que les collisions de trous noirs. Mais un bataillon d’horloges atomiques dans l’espace pourrait détecter ces dilatation du temps effets pour des ondes gravitationnelles beaucoup plus lentes, telles que celles du fond diffus cosmologique.
“Ce sont des soi-disant ondes gravitationnelles primordiales qui pourraient être des restes du Big Bang”, a déclaré Sherman.
Publié à l’origine sur Live Science.