La seconde va être redéfinie d’ici 2030 : pourquoi les horloges atomiques au césium ne suffisent plus

La Conférence générale des poids et mesures se réunit à Versailles jusqu’à ce jeudi 15 octobre. Au programme, la future définition de la seconde, que les métrologues veulent revoir d’ici 2030. Une perspective ouverte par les horloges optiques, jusqu’à 100 fois plus précises que les horloges au césium.

Tic, tac… Le bruit vient à l’esprit au moment de parler de ce qu’est une seconde. Car si pour le commun des mortels, cette unité n’est que la cadence d’une horloge, ou un soixantième de minute, la vision est toute autre du côté des scientifiques.

Du mardi 13 au jeudi 15 octobre, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) réunit au Palais des congrès de Versailles les délégués des 69 États membres du Bureau international des poids et mesures (BIPM). Au menu, entre autres, une résolution sur la future définition de la seconde, soumise au vote ce jeudi.

Ici, pas d’horlogers, mais des physiciens, car il faut remonter à la source de la définition de cette unité. La seconde atomique telle qu’on la connaît aujourd’hui a été définie le 13 octobre 1967, en France.

C’était à l’occasion de la 13e Conférence générale des poids et mesures, qui a fixé la seconde à la durée de 9 192 631 770 oscillations du rayonnement émis par un atome de césium 133 quand il change de niveau d’énergie. Le but n’est donc pas tant de diviser une journée en parts égales, mais plutôt de se baser sur les propriétés de la matière, bien plus stable.

La plus précise des mesures, mais toujours pas assez

La seconde est réalisée avec une incertitude relative de l’ordre de 10^⁻¹⁶, ce qui en fait l’unité de base la plus précise du Système international, bien plus que le kilogramme ou l’ampère. Cela dit, même cette exactitude extrême ne suffit plus aujourd’hui en raison des progrès réalisés par les nouvelles générations d’horloges atomiques. Comme l’explique le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), les meilleures horloges optiques atteignent déjà une précision jusqu’à 100 fois supérieure à ce que nous connaissons aujourd’hui.

Pourquoi chercher plus précis encore ? Parce que le césium a atteint ses limites. Selon le LNE, le temps atomique actuel ne dévie pas de plus d’une seconde en 100 millions d’années, et les horloges au césium ne peuvent plus guère faire mieux. Pour nous, cela est totalement imperceptible, mais ce n’est pas le cas pour des systèmes tels que les GPS, ou les différents instruments liés à la physique fondamentale ou à l’astronomie. Sur ces technologies, cette différence pourrait avoir une conséquence, même minime.

Des horloges au césium aux horloges optiques

Si la définition de la seconde change (pas avant 2030), il n’y aura aucune conséquence visible pour l’immense majorité de la population. Les fabricants de montres n’auront pas de mises à jour à faire, et la durée de la journée ne changera pas. En revanche, l’incertitude passerait de 10⁻¹⁶ à 10⁻¹⁸, un gain de taille pour certains instruments scientifiques. Cette fois, la possible dérive d’une seconde aurait lieu sur une durée équivalente à l’âge de l’univers, selon le LNE.

La différence entre les deux systèmes se trouve dans le spectre observé. Les horloges au césium se basent sur la partie micro-onde du spectre électromagnétique, tandis que les plus modernes regardent la partie optique. Ces nouvelles horloges optiques peuvent donc « voir » des vibrations bien plus rapides, ce qui augmente la précision. Elles sont en développement depuis la fin des années 2000. Leurs progrès poussent aujourd’hui les métrologues à redéfinir la seconde.

La CGPM vote ce jeudi 15 octobre sur la résolution consacrée à la seconde. Faute de consensus, le projet de résolution ne choisit ni l’atome de référence, ni même entre un atome unique et un ensemble d’atomes. Il confirme le calendrier fixé en 2022 et charge le Comité international des poids et mesures de proposer une nouvelle définition, avec sa date d’entrée en vigueur, à la prochaine conférence, en 2030.

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