Ce que les horloges atomiques révèlent sur le temps fascine les physiciens du monde entier

Depuis quelques années, les horloges atomiques ne se contentent plus de mesurer le temps. Elles nous disent comment il se tord, ralentit ou s’accélère selon la gravitation. C’est une révolution silencieuse et quantique qui redessine notre compréhension du monde. Voilà pourquoi les physiciens du monde entier en sont fascinés.

Une horloge qui ne perd qu’une seconde depuis le Big Bang

Il faut le lire deux fois pour le croire. Certaines horloges atomiques sont aujourd’hui si précises qu’elles ne perdent qu’une seconde sur… 13,8 milliards d’années. Oui, l’âge estimé de l’Univers. Autrement dit, si on avait démarré cette horloge au Big Bang, elle aurait une seconde de retard. Pas plus.

Lire aussi Fusion nucléaire : la Chine livre une pièce géante et fait basculer le plus grand projet énergétique du monde

Mais d’abord, c’est quoi, une horloge atomique ? Pour faire simple, c’est un instrument qui mesure le temps à partir de la fréquence des oscillations d’un atome. Depuis 1967, la seconde officielle est définie comme la durée de 9 192 631 770 oscillations de la radiation émise par un atome de césium 133. Ce n’est pas poétique, mais redoutablement efficace.

Depuis cette date, tout a changé. En effet, on a troqué les micro-ondes contre des lasers ultra-stables. On est donc passé des horloges à césium aux horloges optiques à strontium ou ytterbium. Le résultat ? Une résolution temporelle à faire frémir n’importe quel horloger suisse.

En France, cette aventure technologique s’est aussi écrite au sein de laboratoires emblématiques. Par exemple, le LKB (Laboratoire Kastler Brossel), sous l’impulsion d’Alfred Kastler et Claude Cohen-Tannoudji, tous deux prix Nobel de physique, a été pionnier. En effet, ils ont posé les bases du refroidissement laser. C’est indispensable pour figer les atomes et les interroger avec une précision extrême.

Lire aussi Des chercheurs américains bouleversent cette méthode mathématique, au cœur des calculs depuis 300 ans

Le temps ne s’écoule pas partout pareil : la preuve en 30 cm

Ce que ces horloges révèlent, c’est que le temps est bien plus capricieux qu’on ne l’imagine. En 2010, des chercheurs du NIST (National Institute of Standards and Technology) ont mené une expérience fascinante. Ainsi, ils ont comparé deux horloges atomiques à strontium, séparées de seulement 30 centimètres. Résultat ? Celle placée plus haut « vieillit » plus vite. Elle ressent un peu moins la gravité terrestre.

Einstein l’avait prédit avec la relativité générale. Pourtant, le mesurer à cette échelle relève de la magie technologique. Et cela ouvre un champ immense de possibilités.

Par exemple :

Lire aussi Cette expérience quantique renverse la logique : et si la réalité obéissait à d’autres lois ?

• Il est possible d’améliorer la précision des systèmes de positionnement comme le GPS ou Galileo. Une erreur d’un millionième de seconde = 300 mètres de décalage.
• On peut également tester la constance des lois physiques. En effet, certaines théories prédisent que des constantes fondamentales pourraient évoluer avec le temps.
• Il devient envisageable de détecter des ondes gravitationnelles avec des horloges embarquées dans des satellites. Ce serait une alternative aux interféromètres géants sur Terre.

Ainsi, ces horloges pourraient même permettre un jour de cartographier le champ gravitationnel terrestre avec une finesse inédite. Ce serait une nouvelle manière de faire de la géophysique, de la climatologie, voire de la planétologie.

Une nouvelle définition de la seconde en vue ?

Aujourd’hui, une question brûlante hante les métrologues. Faut-il redéfinir la seconde ? Devrait-on remplacer le césium par un atome à transition optique ?

La réponse pourrait bien arriver dans la prochaine décennie. Effectivement, les performances des horloges optiques sont telles qu’elles pourraient devenir les nouveaux étalons.

Lire aussi Collision de particules à haute énergie : un détecteur capte un évènement que personne n’arrive à interpréter

Alors, la prochaine fois que vous regardez votre montre, pensez-y. Derrière ce tic-tac familier se cache une valse quantique. Une danse d’atomes si précise qu’elle pourrait détecter la façon dont la Terre respire.