Nous interagissons avec le temps tous les jours. Dans notre vie quotidienne, il suffit d’une précision au niveau des minutes. Dans les compétitions sportives, comme les courses de sprint, une précision de 0,01 seconde est souvent nécessaire, et pour les sports extrêmement rapides comme la Formule 1, une précision de 0,001 seconde (1 milliseconde) est requise. Cependant, dans certains domaines de la recherche scientifique, les exigences de précision temporelle sont beaucoup plus élevées, nécessitant souvent une précision au centième de seconde, voire au millionième de seconde. Quels outils de mesure du temps peuvent répondre à ces exigences ?
Actuellement, les instruments de mesure du temps les plus précis sont les horloges atomiques au césium. Les scientifiques ont développé des horloges atomiques au césium qui peuvent fonctionner de manière continue pendant 6 millions d’années avec une erreur cumulative de moins d’une seconde. Pourquoi le césium peut-il être utilisé pour fabriquer des instruments de mesure du temps aussi précis ? Nous savons que la Terre tourne sur elle-même une fois tous les 24 heures, et chaque heure est divisée en 3 600 secondes, soit une seconde. Par conséquent, le temps nécessaire à une rotation complète de la Terre divisé par 86 400 est égal à une seconde. Cependant, la vitesse de rotation de la Terre n’est pas stable et peut parfois être plus rapide ou plus lente. Cette définition de la seconde ne répond pas aux exigences de haute précision de certaines expériences scientifiques. Le césium a été choisi pour fabriquer des horloges atomiques car c’est le membre le plus actif de la famille des métaux, ce qui signifie que l’énergie de transition des électrons en dehors de son noyau est faible. Les signaux d’ondes électromagnétiques qu’il émet se situent dans le spectre des micro-ondes de la radio, et coïncident avec la fréquence d’émission des satellites de radiodiffusion, dont la technologie de fabrication est désormais très mature. Par conséquent, les scientifiques utilisent les ondes électromagnétiques émises par les électrons lorsqu’ils passent d’un niveau d’énergie à un autre dans l’atome de césium comme référence pour contrôler et calibrer les oscillateurs électroniques, et ainsi contrôler le fonctionnement de l’horloge. Ainsi, les scientifiques ont utilisé ces caractéristiques des électrons de césium pour fabriquer une nouvelle horloge, l’horloge atomique au césium, et ont défini une seconde comme le temps nécessaire pour que les atomes de césium passent de l’un des niveaux d’énergie à l’autre 919 263 770 fois. C’est jusqu’à présent la définition la plus précise de la seconde.
Outre les horloges atomiques au césium, on a également inventé les horloges atomiques à l’hydrogène et au rubidium. Grâce aux horloges atomiques, il est possible de mener des recherches scientifiques plus précises sur les explosions d’atomes et d’hydrogène, le lancement de fusées et de missiles, ainsi que la navigation spatiale et les satellites artificiels, et d’assurer un contrôle et un fonctionnement de haute précision.