L’invention de l’horloge atomique a créé quelques surprises

« Il faut donner du temps au temps » : habituellement utilisée en chagrinologie (science du chagrin), cette formule l’est, le plus souvent, sans grande conviction. D’abord parce que le temps est relatif ; ensuite – et surtout – parce que l’amour est insondable. Il est un lieu, cependant, où l’expression prend tout son sens : le Bureau central du service international de la rotation terrestre et des systèmes de référence. Située à l’Observatoire de Paris, cette institution que l’on croirait sortie d’un roman de Jules Verne a le pouvoir de donner, périodiquement mais réellement, du temps au temps. Pendant que d’éminents philosophes et physiciens se disputent encore sur la notion d’écoulement de l’espace-temps, d’autres savants, bien plus discrets, fabriquent des secondes pour ensuite les injecter dans la nébuleuse temporelle. Une situation qui dure depuis 46 ans et dont l’origine est à chercher dans l’invention des horloges atomiques. Un domaine où la Suisse a pris une longueur d’avance.

Une découverte scientifique

La définition du temps repose, depuis l’Antiquité, sur l’observation des astres. Pendant des siècles, la seconde a ainsi été déterminée par la 86’400e partie du jour solaire moyen. En d’autres termes, la durée entre deux zéniths du soleil représente 86’400 secondes. Cette unité du temps universel a perduré jusque dans les années 1960, époque à laquelle de nouveaux instruments vont venir bouleverser la temporalité des humains.

Dès la fin des années 1940 en effet apparaissent les premières horloges atomiques. Une véritable révolution dans le monde scientifique, qui peut progressivement compter sur une précision jamais atteinte. La nouvelle définition de la seconde, qui entre en vigueur en 1967, se base ainsi sur 9’192’631’770 périodes d’oscillation de la fréquence du césium 133. Établie par convention – elle aurait très bien pu compter une période de plus ou de moins –, cette détermination a mis en évidence un phénomène jusque-là ignoré.

Grâce aux astronomes, on connaissait déjà depuis longtemps l’inconstance de la durée entre deux zéniths. La course de la Terre autour du soleil décrit en effet une trajectoire non pas circulaire, mais elliptique. De plus, son axe est incliné de 23° par rapport au plan de son orbite. Résultat : le jour vrai est tantôt plus long, tantôt plus court, la différence allant de – 16 min 23 sec le 4 novembre à + 14 min 22 sec le 11 février. C’est la fameuse équation du temps, bien connue des amateurs d’horlogerie fine.

Mais l’horloge atomique va permettre une découverte plus surprenante. La nouvelle manière de compter le temps qu’elle induit est entièrement détachée de la marche des astres. Une indépendance qui va permettre de démontrer que la rotation de la Terre ralentit sur son axe. Cette singularité s’explique essentiellement par la dissipation d’énergie lors des marées, ainsi que par la variation de la distance Terre-lune. Si elle est imperceptible – les jours sont maintenant 2 millisecondes plus longs qu’il y a un siècle –, elle nécessite tout de même un ajustement occasionnel, de manière à ce que le temps universel coordonné livré par les horloges atomiques demeure le plus proche possible du temps solaire moyen.

Une référence incontournable

Ainsi fut créé l’atelier des secondes intercalaires ! Depuis l’introduction de ce système correctif en 1972, 27 secondes ont donc été ajoutées, la plus récente le 31 décembre 2016. Ce soir-là, la seconde d’après 23:59:59, il ne fut pas 00:00:00, mais 23:59:60. De quoi perturber le décompte de la nouvelle année… La correction suivante est impossible à déterminer à l’avance, mais elle intervient lorsque le décalage dépasse 0,6 seconde.

Les horloges atomiques servant à déterminer le temps officiel forment aujourd’hui un réseau de 350 instruments à travers le monde. Tous les jours, le Bureau international des poids et mesures récolte leurs données afin d’en calculer la moyenne : c’est le temps universel coordonné (UTC). Un temps très précieux et très demandé : Google répond ainsi à quelque 7 milliards de demandes automatiques de synchronisation d’ordinateurs par jour ; et certaines universités aux États-Unis en reçoivent jusqu’à 20 milliards. Un nombre appelé à augmenter encore avec l’explosion prévue des objets connectés (20 milliards en 2020). Sans parler des systèmes GPS et Galileo, des transactions bancaires à haute fréquence ou encore de l’exploitation des réseaux d’énergie (smart grids), autant de domaines très gourmands en précision du temps.

Pour faire face, les centres de recherche redoublent d’ingéniosité. Et la Suisse n’est pas en reste : le Laboratoire Temps-Fréquence (LTF) de l’université de Neuchâtel contribue à la définition du temps atomique international (TAI) grâce à la réalisation d’une horloge atomique unique au monde. Baptisée FOCS, celle-ci fonctionne avec un jet continu d’atomes froids de césium, pour une précision à 17 décimales après la virgule. Du jamais-vu !