Le tic-tac des atomes
L’horloge atomique
🧭Ce que tu vas découvrir
Regarde l’heure affichée par un téléphone. Elle n’est pas seulement la sienne : à intervalles réguliers, le réseau la recale sur un temps fabriqué par quelques centaines d’horloges extraordinaires, réparties dans des laboratoires du monde entier. Ces horloges ne battent pas au rythme d’un balancier ou d’un ressort, mais à celui des atomes. Elles sont si régulières qu’elles ont détrôné la Terre elle-même : depuis 1967, ce n’est plus la rotation de notre planète qui définit la seconde, c’est un atome.
Dans ce cours, nous allons comprendre comment les hommes en sont arrivés là, ce qui se passe à l’intérieur d’une horloge atomique, et pourquoi, sans elle, le GPS te guiderait vers un mauvais chemin. Voici d’abord, en huit étapes, plus de trois mille ans de mesure du temps.
⏳La quête du balancier parfait
Mesurer le temps, c’est compter. Mais compter quoi ? Quelque chose qui revient, encore et encore, au même rythme : le lever du Soleil, les gouttes d’une horloge à eau, les allers-retours d’un balancier. Toute l’histoire des horloges tient dans une seule quête : trouver le phénomène le plus régulier possible, puis inventer un moyen fiable de le compter.
Une horloge associe deux éléments : un oscillateur, c’est-à-dire quelque chose qui se répète régulièrement (un balancier, un cristal qui vibre, et bientôt, tu le verras, un atome), et un compteur, qui additionne ces répétitions pour afficher le temps écoulé. La durée d’une répétition complète s’appelle la période de l’oscillateur.
☀️Le Soleil et l’eau
Les premiers oscillateurs sont offerts par le ciel : le jour qui revient, l’ombre qui tourne autour d’un bâton planté dans le sol. Le cadran solaire lit l’heure dans cette ombre, mais il reste muet la nuit et par temps couvert. Pour mesurer le temps sans le Soleil, les Égyptiens se sont servis de l’eau. La plus ancienne horloge à eau parvenue jusqu’à nous, la clepsydre de Karnak, date du règne du pharaon Amenhotep III, vers 1400 av. J.-C. : c’est un vase d’albâtre percé d’un petit trou, dont la paroi intérieure porte des repères correspondant aux heures de la nuit. L’eau s’écoule, son niveau baisse, et la hauteur atteinte indique l’heure.
Hélas, l’eau s’échappe plus vite quand le vase est plein, car elle pousse alors plus fort sur le trou. La forme du vase, plus large en haut comme un pot de fleurs, ne compense qu’en partie ce défaut, et l’écoulement varie aussi avec la température : la clepsydre reste une horloge approximative.
⚙️Les horloges mécaniques
Vers 1300 apparaissent en Europe, dans les clochers et les monastères, les premières horloges mécaniques. Un poids, en descendant, fait tourner des roues dentées. Pour l’empêcher de tomber d’un coup, un mécanisme appelé échappement le retient, puis le libère par petits pas réguliers, au rythme d’une barre horizontale qui pivote dans un sens puis dans l’autre : le foliot. L’idée est géniale, mais le foliot n’a pas de rythme naturel : sa cadence dépend de la force du poids, des frottements et même de l’huile figée par le froid. Au milieu du XVIIe siècle, les meilleures horloges à foliot dérivaient encore d’environ un quart d’heure par jour, et il fallait les remettre régulièrement à l’heure d’un cadran solaire.
🕰️Le pendule de Huygens
Tout change avec le pendule. Un poids suspendu à un fil, écarté puis lâché, va et vient avec une régularité étonnante : pour de petits balancements, et en un même lieu, la durée d’un aller-retour dépend de la longueur du fil, mais non de la masse suspendue ni, ou presque, de l’ampleur du mouvement. Galilée avait étudié ce phénomène ; c’est le savant néerlandais Christiaan Huygens qui, en 1656, construit la première horloge à pendule. L’erreur quotidienne tombe d’environ un quart d’heure à moins d’une minute, puis, grâce à ses perfectionnements, à une dizaine de secondes. Pendant près de trois siècles, le pendule restera le roi de la précision.
Selon son premier biographe, Vincenzo Viviani, le jeune Galilée, âgé de dix-neuf ans, aurait remarqué en 1583, dans la cathédrale de Pise, qu’une lampe suspendue mettait le même temps pour chaque balancement, ample ou faible. Faute de montre, il aurait mesuré la durée des balancements en comptant les battements de son pouls ! Ce récit, écrit soixante et onze ans plus tard, ne peut pas être vérifié ; mais Galilée a bel et bien étudié le pendule, et il a imaginé, à la fin de sa vie, d’en faire le cœur d’une horloge.
Il te faut une ficelle, un petit objet lourd (une clé ou un gros écrou), du ruban adhésif, une règle et un chronomètre, celui d’un téléphone par exemple.
1. Attache l’objet au bout de la ficelle et fixe l’autre extrémité au bord d’une table, de sorte que 25 cm séparent le point d’attache du centre de l’objet. Écarte-le un peu, sans dépasser la largeur de ta main, puis lâche-le. Chronomètre dix allers-retours : tu devrais mesurer environ 10 secondes.
2. Allonge la ficelle jusqu’à 1 m et recommence : dix allers-retours durent alors environ 20 secondes. La longueur a été multipliée par quatre, la durée seulement par deux.
3. Garde la même longueur, mais remplace l’objet par un autre, plus lourd : la durée ne change presque pas.
Pourquoi chronométrer dix allers-retours plutôt qu’un seul ? Parce que ton doigt appuie sur le chronomètre avec un petit retard : sur une durée dix fois plus longue, ce retard pèse dix fois moins dans le résultat.
⚓L’heure et la longitude
Au XVIIIe siècle, mesurer le temps devient un enjeu capital pour la navigation. En mer, un marin trouve sa latitude, sa position du nord au sud, grâce à la hauteur du Soleil ou de l’étoile Polaire ; mais sa longitude, sa position d’est en ouest, lui échappe. Or la Terre fait un tour complet, 360 degrés, en 24 heures : elle tourne donc de 15 degrés par heure. Le navigateur qui emporte une horloge réglée sur l’heure de son port de départ peut la comparer au midi du lieu où il se trouve, le moment où le Soleil est au plus haut : chaque heure d’écart correspond à 15 degrés de longitude. Encore faut-il une horloge qui garde l’heure sur un navire qui tangue ; le pendule, secoué par les vagues, en est incapable. En 1714, le Parlement britannique promet une récompense pouvant atteindre 20 000 livres à qui résoudra le problème.
John Harrison est un charpentier anglais qui a appris seul l’horlogerie. Pendant des décennies, il construit des horloges marines de plus en plus perfectionnées. La quatrième, aujourd’hui appelée H4, ressemble à une grosse montre de poche d’environ 13 cm de diamètre. En novembre 1761, Harrison a 68 ans : c’est donc son fils William qui embarque avec elle à bord du navire Deptford, de Portsmouth vers la Jamaïque. Après plus de deux mois de traversée, l’horloge est comparée à l’heure du lieu d’arrivée : elle ne retarde que d’environ cinq secondes. Cela correspond à une erreur de longitude d’environ deux kilomètres seulement, bien moins que ce qu’exigeait la récompense. Il faudra pourtant une seconde traversée, de longues années de querelles et l’appui du roi George III pour que Harrison reçoive, en 1773, l’essentiel de la somme promise.
💎Le quartz
Au XXe siècle, l’électricité offre un balancier bien plus rapide. Un petit cristal de quartz, taillé avec soin, se met à vibrer lorsqu’il reçoit une tension électrique, et ses vibrations produisent en retour un signal électrique : ce phénomène, la piézoélectricité, a été découvert par les frères Jacques et Pierre Curie à partir de 1880. En 1927, aux laboratoires Bell de New York, Warren Marrison et Joseph Horton construisent la première horloge à quartz. Aujourd’hui, le quartz d’une montre ordinaire vibre plus de 30 000 fois par seconde, et la montre ne dérive que d’environ quinze secondes par mois, soit une demi-seconde par jour. Le quartz garde pourtant une faiblesse : deux cristaux ne vibrent pas tout à fait au même rythme, car le rythme de chacun dépend de sa taille et de sa coupe, et il varie avec la température et le vieillissement.
| Instrument | Époque | Ce qui bat la mesure | Précision, en ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| Cadran solaire | Dès l’Antiquité | La course apparente du Soleil | Muet la nuit et par temps couvert |
| Clepsydre de Karnak | Vers 1400 av. J.-C. | L’écoulement de l’eau | Approximative : le débit varie |
| Horloge à foliot | Vers 1300 | Le pivotement du foliot | Un quart d’heure par jour environ |
| Horloge à pendule | 1656 | Le balancement du pendule | D’une minute à une dizaine de secondes par jour |
| Chronomètre H4 de Harrison | 1761 | Un balancier circulaire et son ressort | Environ cinq secondes en plus de deux mois de mer |
| Horloge, puis montre à quartz | 1927 | La vibration d’un cristal | Une demi-seconde par jour environ pour une montre |
- Une horloge associe un oscillateur, qui se répète régulièrement, et un compteur, qui additionne ces répétitions.
- Les oscillateurs sont devenus de plus en plus réguliers : le Soleil, l’eau, le foliot, le pendule, le balancier à ressort, puis le quartz.
- Pour de petits balancements, la durée d’un aller-retour d’un pendule dépend de sa longueur, non de sa masse.
- Une horloge précise permet de trouver sa longitude en mer, car la Terre tourne de 15 degrés par heure.
Chaque progrès a consisté à trouver un oscillateur plus régulier. Mais tous ces oscillateurs ont un défaut commun : ils sont fabriqués de main d’homme. Deux pendules, deux cristaux ne sont pas rigoureusement identiques, et ils s’usent. Les physiciens ont alors rêvé d’un balancier fourni par la nature elle-même, identique dans le monde entier. Ce balancier existe : il se cache à l’intérieur de l’atome.
⚛️Le cœur de l’horloge atomique
Tu sais déjà que la matière est faite d’atomes. Ce que l’on sait moins, c’est que chaque sorte d’atome possède une « note » qui lui est propre, un peu comme un diapason. Les horloges atomiques écoutent cette note, et c’est elle qui leur donne leur incroyable régularité.
🔍Rappel : qu’est-ce qu’un atome ?
Un atome est formé d’un noyau minuscule, chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons, chargés négativement. Un atome de carbone possède six électrons, un atome d’oxygène huit, un atome de césium cinquante-cinq. Voici le premier secret de l’horloge atomique : deux atomes de la même sorte, qu’ils se trouvent à Paris, à Tokyo ou dans un satellite, sont rigoureusement semblables. Personne ne les a fabriqués, ils ne s’usent pas : ils sortent tous du même moule, celui de la nature. Un pendule ou un cristal de quartz ne peut pas en dire autant.
🪜Les marches d’énergie
Approfondissons. Les électrons d’un atome ne peuvent pas posséder n’importe quelle énergie. Pense à une personne sur une échelle : elle peut se tenir sur un barreau ou sur le suivant, mais pas entre les deux. De la même façon, un électron ne peut occuper que certains niveaux d’énergie bien précis, comme des marches. Pour monter d’une marche, il doit recevoir une quantité d’énergie qui correspond précisément à la hauteur de cette marche ; en redescendant, il rend cette énergie, souvent sous forme de lumière, visible ou invisible. Plus le saut est grand, plus la lumière émise est énergétique. Comme chaque élément chimique possède sa propre échelle, il émet des couleurs qui lui sont propres, comme une signature. Cette image de l’échelle est un modèle simplifié, que tu approfondiras au lycée, mais elle permet de comprendre l’essentiel.
La fréquence d’un phénomène qui se répète est le nombre de répétitions par seconde. Elle se mesure en hertz (de symbole Hz) : un hertz correspond à une répétition par seconde.
Une horloge atomique est une horloge dont l’oscillateur est réglé en permanence sur la fréquence de l’onde capable de faire passer un atome d’un niveau d’énergie à un autre : elle bat au rythme naturel d’un atome.
🧪Pourquoi le césium ?
Chez le césium, un détail rend l’atome précieux. Son électron le plus extérieur, seul sur sa couche, occupe la marche la plus basse. Or cette marche se dédouble en deux niveaux très proches, selon l’orientation de l’électron par rapport au noyau : un peu comme deux petits aimants, placés tantôt dans le même sens, tantôt en sens contraire. L’écart d’énergie entre ces deux niveaux est minuscule. Pour faire passer l’atome de l’un à l’autre, il ne faut donc pas de la lumière, mais une onde beaucoup moins énergétique : une micro-onde, de la même famille que celles d’un four à micro-ondes ou du wifi, mais d’une fréquence bien précise. Si la fréquence de l’onde est un tout petit peu trop haute ou trop basse, l’atome bascule beaucoup moins souvent.
D’autres qualités ont fait choisir le césium. Le césium naturel est formé d’une seule sorte d’atome stable, le césium 133 : pas de « cousins » mélangés pour brouiller la mesure. Il fond à environ 28 °C et s’évapore facilement lorsqu’il est chauffé, ce qui permet d’en faire un jet d’atomes. Enfin, la micro-onde qui le fait basculer est très rapide : elle oscille 9 192 631 770 fois par seconde. Pour te représenter ce nombre, sache qu’en une seule seconde, cette micro-onde accomplit plus d’oscillations que ton cœur ne fera de battements au cours d’une vie de cent ans !
Le césium a été découvert en 1860 par deux savants allemands, Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff, grâce à sa lumière ! En chauffant dans une flamme le résidu d’une eau minérale de Dürkheim et en observant la lumière à travers un prisme, ils virent apparaître deux raies bleues inconnues jusqu’alors. Ils nommèrent le nouvel élément d’après le mot latin caesius, qui désigne le bleu du ciel. Ce métal mou aux reflets dorés est l’un des plus réactifs qui soient : garde-toi d’y toucher, car au contact de l’eau il réagit avec violence, jusqu’à l’explosion.
🎛️Comment fonctionne une horloge atomique ?
Voici le secret le plus étonnant : le cœur battant d’une horloge atomique à césium est… un oscillateur à quartz ! À partir des vibrations du quartz, l’appareil fabrique une micro-onde dont la fréquence est proche de celle du césium. Un four chauffe le césium, dont les atomes s’échappent en un jet très fin. Un premier aimant trie ces atomes pour ne garder que ceux qui se trouvent dans l’un des deux états. Le jet traverse ensuite une cavité où règne la micro-onde : si sa fréquence est la bonne, beaucoup d’atomes basculent dans l’autre état ; sinon, très peu. Un second aimant dirige les atomes qui ont basculé vers un détecteur, qui les compte. Un circuit de réglage corrige alors le quartz jusqu’à obtenir le plus grand nombre possible d’atomes basculés : à cet instant, le quartz est accordé sur le césium. Le compteur additionne enfin les oscillations pour afficher l’heure. En somme, le quartz est le coureur, et l’atome l’arbitre qui lui indique sans relâche s’il doit accélérer ou ralentir.
Tu as sûrement déjà poussé quelqu’un sur une balançoire. Si tu pousses au hasard, la balançoire avance mal ; si tu pousses au bon rythme, au moment où elle revient vers toi, le balancement grandit à chaque poussée. Ce phénomène s’appelle la résonance : un objet réagit fortement lorsqu’il est excité à sa propre fréquence. Essaie avec le pendule du chapitre 1 : donne-lui de petites pichenettes au rythme de ses allers-retours, puis à contretemps, et compare.
L’atome de césium se comporte comme une balançoire d’une exigence extrême : il ne « répond » vraiment qu’à une micro-onde dont le rythme coïncide avec le sien à une infime fraction près. C’est cette exigence qui rend l’horloge si précise : le moindre écart de rythme se voit aussitôt au détecteur.
La toute première horloge atomique est américaine : en 1949, Harold Lyons et son équipe, au Bureau national des normes des États-Unis, règlent un oscillateur à quartz sur une molécule d’ammoniac. L’exploit est réel, mais cette horloge n’est pas plus précise que les meilleures horloges à quartz de l’époque. Six ans plus tard, en Angleterre, au Laboratoire national de physique de Teddington, près de Londres, le physicien Louis Essen et son collègue Jack Parry mettent en service, en juin 1955, la première horloge atomique à césium. Elle ne se décale que d’une seconde en trois siècles environ, soit quelque trois cents fois mieux que les meilleures horloges à pendule. Essen raconta plus tard qu’il avait invité son directeur à venir constater la fin de la seconde astronomique et la naissance du temps atomique. Il ne se trompait pas : en 1967, la Conférence générale des poids et mesures décida que la seconde ne serait plus définie à partir des mouvements de la Terre, mais à partir de l’atome de césium.
⛲Des atomes presque immobiles
Dans une horloge à jet, les atomes de césium filent à plusieurs centaines de mètres par seconde : ils traversent la cavité en un éclair, ce qui limite la finesse de la mesure. Dans les années 1980 et 1990, des physiciens apprennent à ralentir les atomes avec des faisceaux laser, jusqu’à quelques centimètres par seconde. Le Français Claude Cohen-Tannoudji reçoit pour ces travaux le prix Nobel de physique 1997, avec les Américains Steven Chu et William Phillips. Les horloges à « fontaine » en profitent : une petite boule d’atomes refroidis est lancée vers le haut, puis retombe comme l’eau d’un jet d’eau, en traversant deux fois la micro-onde. La première fontaine atomique destinée à la mesure du temps a été mise au point dans les années 1990 à l’Observatoire de Paris.
| Horloge | Année | Une seconde d’écart en… | Pour te le représenter |
|---|---|---|---|
| Horloge à jet de césium d’Essen et Parry (Angleterre) | 1955 | environ 300 ans | Mise en marche à la fin du règne de Louis XV, vers 1770, elle n’aurait pas encore dérivé d’une seconde. |
| Fontaine à césium NIST-F2 (États-Unis) | 2014 | environ 300 millions d’années | Mise en marche au temps des dinosaures, il y a 200 millions d’années, elle n’aurait pas encore dérivé d’une seconde. |
| Horloge optique au strontium, record de précision (États-Unis) | 2024 | environ 40 milliards d’années | Près de trois fois l’âge de l’Univers. |
- Les électrons d’un atome n’occupent que certains niveaux d’énergie ; passer d’un niveau à l’autre demande une onde d’une fréquence bien précise.
- Chez le césium 133, la marche du bas se dédouble en deux niveaux très proches, entre lesquels l’atome bascule sous l’effet d’une micro-onde.
- Dans une horloge atomique, les atomes servent d’arbitre : ils corrigent sans relâche un oscillateur à quartz.
- Depuis 1967, la seconde est définie à partir de l’atome de césium, et non plus à partir des mouvements de la Terre.
Nous disposons désormais d’horloges qui ne se trompent que d’une seconde en des millions d’années. À quoi peut bien servir une telle précision dans la vie de tous les jours ? La réponse va te surprendre : à te dire où tu te trouves.
🛰️L’horloge atomique dans notre vie
Une précision d’une seconde en des millions d’années semble réservée aux laboratoires. Pourtant, tu t’en sers sans le savoir chaque fois qu’un téléphone t’indique ta position sur une carte.
🗺️Le GPS : mesurer une distance avec une horloge
Autour de la Terre tournent, à environ 20 000 km d’altitude, les satellites du GPS américain ; l’Europe possède son propre système, Galileo. Chaque satellite emporte plusieurs horloges atomiques (au rubidium et au césium pour le GPS, à hydrogène et au rubidium pour Galileo) et diffuse sans arrêt un message qui dit en substance : « Je suis tel satellite, je me trouve à tel endroit, et il est telle heure précise. » Ton téléphone reçoit ce message un court instant plus tard. Comme ce signal, une onde radio, voyage à la vitesse de la lumière, environ 300 000 km par seconde, la durée de son trajet donne la distance qui te sépare du satellite.
Mais quelle exigence ! La lumière parcourt environ 300 mètres en un millionième de seconde : un décalage d’un seul millionième de seconde fausserait la distance de près de trois longueurs de terrain de football. Seules des horloges atomiques tiennent une telle précision. Une distance ne te situe pas encore : elle t’apprend seulement que tu te trouves quelque part sur une immense sphère centrée sur le satellite. Avec plusieurs satellites, ces sphères se coupent en un point : ta position. Le récepteur en utilise au moins quatre, car ton téléphone, lui, ne possède pas d’horloge atomique : sa petite horloge à quartz est un peu en avance ou en retard, et le quatrième satellite sert à calculer ce décalage pour le corriger.
Sur ce quadrillage, trois satellites t’ont envoyé un signal. Dans notre jeu, un signal parcourt un carreau par « tic » d’horloge. Munis-toi d’un compas.
1. Le signal de B a mis 10 tics pour te parvenir : tu te trouves donc à 10 carreaux de B. Ouvre ton compas sur 10 carreaux, le long d’une ligne du quadrillage, et trace un cercle de centre B.
2. Fais de même autour de C, dont le signal a aussi mis 10 tics. Tes deux cercles se coupent en deux points : avec deux satellites seulement, deux positions restent possibles.
3. Trace le cercle de centre A, de 5 carreaux de rayon. Un seul des deux points se trouve sur ce troisième cercle : c’est ta position. Marque-la d’une croix.
Pour aller plus loin. Imagine que ta montre avance d’un tic : chaque signal semble alors avoir voyagé un tic de plus. Trace les trois cercles avec un carreau de rayon en trop : se coupent-ils encore en un même point ? Dans l’espace, les cercles deviennent des sphères, et le récepteur réel utilise au moins quatre satellites, dont un pour corriger sa propre horloge.
🌌Einstein s’invite dans ton téléphone
Plus étonnant encore : au début du XXe siècle, Albert Einstein a montré que le temps ne s’écoule pas au même rythme partout. Une horloge qui se déplace très vite prend un peu de retard ; une horloge placée plus haut, là où la pesanteur est plus faible, prend un peu d’avance. Pour les satellites du GPS, qui filent à près de 4 km par seconde à 20 000 km d’altitude, le second effet l’emporte : leurs horloges avancent d’environ 38 millionièmes de seconde par jour par rapport à des horloges identiques posées au sol. C’est minuscule ? Multiplie par 300 mètres par millionième de seconde : sans correction, les distances calculées se fausseraient d’environ 11 km chaque jour ! Les horloges des satellites sont donc réglées, avant leur lancement, pour battre un tout petit peu moins vite qu’au sol : une fois en orbite, elles retrouvent le rythme voulu.
En octobre 1971, le physicien Joseph Hafele et l’astronome Richard Keating décident de mettre la théorie d’Einstein à l’épreuve… en prenant l’avion. Ils emportent quatre horloges atomiques à césium à bord de vols commerciaux ordinaires et font deux fois le tour du monde : une fois vers l’est, une fois vers l’ouest. Les horloges sont si encombrantes qu’il faut leur acheter deux sièges par vol ; selon le récit qui en est fait, les billets portaient le nom de « Mr. Clock », c’est-à-dire « Monsieur Horloge ». Le budget de l’expérience, environ 8 000 dollars, passe presque entièrement en billets ! De retour à Washington, les chercheurs comparent leurs horloges voyageuses à celles restées à l’Observatoire naval des États-Unis. Celles qui ont volé vers l’est ont perdu un peu de temps, celles qui ont volé vers l’ouest en ont gagné, de quelques dizaines à quelques centaines de milliardièmes de seconde, en accord avec les prévisions de la théorie d’Einstein.
🌍Qui donne l’heure au monde ?
L’heure officielle du monde ne sort pas d’une horloge unique. Plusieurs centaines d’horloges atomiques, réparties dans des dizaines de laboratoires, comparent en permanence leurs tics, notamment grâce aux satellites. Au Bureau international des poids et mesures, installé à Sèvres, près de Paris, des spécialistes rassemblent ces mesures et en calculent une moyenne, en accordant plus de poids aux horloges les plus stables : c’est le temps atomique international. Cette moyenne est calculée après coup, une fois par mois ; chaque laboratoire corrige ensuite sa propre horloge pour la suivre au plus près. En France, l’Observatoire de Paris est chargé d’établir l’heure légale, qu’il diffuse notamment par un site internet officiel et par des serveurs de temps auxquels se connectent les ordinateurs.
Le temps universel coordonné, que les spécialistes désignent par le sigle UTC, est l’échelle de temps qui sert de référence au monde entier. Il bat au rythme du temps atomique international, c’est-à-dire au rythme des horloges atomiques. L’heure légale de chaque pays s’en déduit en ajoutant ou en retranchant un décalage fixe, le plus souvent un nombre entier d’heures : en France, une heure en hiver et deux heures en été.
🔄La seconde qui disparaît
Les horloges de précision, à quartz puis atomiques, ont révélé une vérité dérangeante : la Terre est une horloge imparfaite ! Sa rotation n’est pas tout à fait régulière et, sur le long terme, elle ralentit très légèrement, notamment sous l’effet des marées. Pour que l’heure atomique reste accordée au Soleil, les responsables du temps ont ajouté, de 1972 à 2016, vingt-sept secondes intercalaires, un 30 juin ou un 31 décembre : ce jour-là, la dernière minute durait 61 secondes, et les horloges réglées sur le temps universel affichaient 23:59:60 avant minuit ! Mais ces secondes surprises dérangent les ordinateurs ; de plus, la Terre a un peu accéléré ces dernières années, au point qu’il aurait peut-être fallu, pour la première fois, retirer une seconde. Le 15 octobre 2026, réunie à Versailles, la Conférence générale des poids et mesures a donc décidé de renoncer aux secondes intercalaires à partir du 20 mai 2027. L’heure atomique pourra désormais s’écarter lentement de l’heure du Soleil, jusqu’à une heure d’écart au plus, ce qui laisse de la marge pour plusieurs siècles.
Le 14 février 1933, l’Observatoire de Paris mettait en service la première horloge parlante au monde. Son directeur, l’astronome Ernest Esclangon, l’avait imaginée parce que l’unique ligne téléphonique de son bureau sonnait sans arrêt : des quantités de gens appelaient pour demander l’heure ! En composant un numéro, chacun pouvait entendre une voix annoncer : « Au quatrième top, il sera exactement… ». Plus de 140 000 appels furent passés dès le premier jour. Dans ses dernières années, elle était réglée sur les horloges atomiques de l’Observatoire. Délaissée à l’époque des téléphones portables, elle s’est tue le 1er juillet 2022, après plus de 89 ans de service.
🔭Demain, des horloges encore plus fines
La course n’est pas terminée. Les horloges optiques n’utilisent plus une micro-onde, mais de la lumière, dont les oscillations sont des dizaines de milliers de fois plus rapides : chaque seconde y est découpée en tranches bien plus fines. Les plus performantes sont déjà environ cent fois plus précises que les meilleures horloges à césium. Elles sont si sensibles qu’elles perçoivent la différence de rythme du temps entre deux points séparés d’une hauteur de moins d’un millimètre ! Le 15 octobre 2026, la Conférence générale des poids et mesures a demandé aux spécialistes de préparer une nouvelle définition de la seconde fondée sur ces horloges, afin de la soumettre au vote en 2030. Le césium, qui règne sur le temps depuis 1967, pourrait alors céder sa couronne.
- Le GPS calcule une distance à partir de la durée de trajet d’un signal : un décalage d’un millionième de seconde fausse cette distance d’environ 300 mètres.
- Le récepteur a besoin d’au moins quatre satellites, car il doit aussi corriger sa propre horloge.
- Comme l’a montré Einstein, les horloges des satellites ne battent pas au même rythme qu’au sol : il faut en tenir compte.
- L’heure du monde est une moyenne de plusieurs centaines d’horloges atomiques ; les secondes intercalaires seront abandonnées à partir de 2027.
Du bâton planté au soleil à l’atome de césium, l’humanité n’a cessé de chercher le balancier le plus régulier. Elle l’a trouvé au cœur de la matière, et cette découverte guide aujourd’hui les satellites et fixe l’heure du monde. La prochaine fois qu’une carte t’indiquera ta position, souviens-toi : quelque part au-dessus de toi, des atomes battent la mesure.
🎯Quiz final
Pour chaque question, entoure la lettre de la bonne réponse. Le corrigé se trouve à la dernière page.
🔤Lexique
| Terme | Définition |
|---|---|
| Atome | Plus petite partie d’un élément chimique qui en conserve les propriétés, formée d’un noyau et d’électrons. |
| Césium | Métal très mou et très réactif, découvert en 1860 ; son atome, le césium 133, sert depuis 1967 à définir la seconde. |
| Clepsydre | Horloge à eau : le temps se lit à la baisse du niveau de l’eau qui s’écoule par un petit trou. |
| Échappement | Mécanisme d’une horloge mécanique qui libère par petits pas réguliers l’énergie d’un poids ou d’un ressort. |
| Électron | Particule de charge négative qui se déplace autour du noyau d’un atome. |
| Fréquence | Nombre de répétitions d’un phénomène par seconde, mesuré en hertz. |
| Horloge atomique | Horloge dont l’oscillateur est réglé en permanence sur le rythme naturel d’un atome. |
| Horloge optique | Horloge atomique qui utilise de la lumière au lieu d’une micro-onde ; elle est encore plus précise. |
| Longitude | Position d’un lieu d’est en ouest, mesurée en degrés ; la Terre tourne de 15 degrés par heure. |
| Micro-onde | Onde de la même famille que la lumière, mais beaucoup moins énergétique, invisible pour nos yeux. |
| Niveau d’énergie | Valeur d’énergie permise à un électron dans un atome, comparable à une marche d’escalier. |
| Oscillateur | Élément d’une horloge qui se répète régulièrement : pendule, balancier, cristal de quartz, atome. |
| Période | Durée d’une répétition complète d’un oscillateur, par exemple d’un aller-retour d’un pendule. |
| Quartz | Cristal qui vibre de façon très régulière lorsqu’il reçoit une tension électrique. |
| Résonance | Réaction très forte d’un objet excité à sa propre fréquence, comme une balançoire poussée au bon rythme. |
| Seconde intercalaire | Seconde ajoutée de temps à autre, de 1972 à 2016, pour accorder l’heure atomique à la rotation de la Terre ; abandonnée à partir de 2027. |
| Temps atomique international | Moyenne calculée à partir de plusieurs centaines d’horloges atomiques du monde entier. |
| Temps universel coordonné | Échelle de temps de référence mondiale, qui bat au rythme des horloges atomiques ; l’heure légale des pays s’en déduit. |
✅Corrigé
Le quiz
1. b. Un oscillateur, qui se répète régulièrement, et un compteur, qui additionne ces répétitions.
2. a. Quand le vase est plein, l’eau pousse plus fort sur le trou et s’écoule plus vite.
3. c. La longueur est multipliée par quatre, la durée d’un aller-retour seulement par deux.
4. d. La Terre tourne de 15 degrés par heure : chaque heure d’écart correspond à 15 degrés de longitude.
5. a. Le quartz bat la mesure ; les atomes indiquent s’il doit accélérer ou ralentir.
6. c. Les deux niveaux sont si proches qu’une micro-onde, et non de la lumière, fait basculer l’atome.
7. b. La Conférence générale des poids et mesures l’a décidé en 1967.
8. d. Trois satellites servent à situer le récepteur, le quatrième à corriger son horloge à quartz.
9. a. Elles avancent d’environ 38 millionièmes de seconde par jour, car l’effet de la pesanteur plus faible l’emporte sur celui de la vitesse.
10. c. Les secondes intercalaires seront abandonnées à partir du 20 mai 2027.
Le jeu de localisation
Ta position se trouve 7 carreaux à droite et 6 carreaux au-dessus du coin inférieur gauche du quadrillage. Les cercles de B et de C se coupent aussi en un second point, 9 carreaux à droite et 8 carreaux au-dessus de ce coin ; mais ce point est à près de 8 carreaux de A, et non à 5 : il est donc éliminé.
Pour aller plus loin. Avec un carreau de rayon en trop, les trois cercles ne se coupent plus en un même point : ils dessinent un petit triangle autour de ta vraie position. Le récepteur GPS raisonne à l’inverse : il cherche le décalage d’horloge qui fait de nouveau converger tous les cercles, ou plutôt toutes les sphères, en un seul point.