Les physiciens ont développé une horloge atomique si précise qu'elle serait éteinte de moins d'une seconde en 14 milliards d'années. Ce genre d'exactitude et de précision en fait plus qu'une simple montre. C’est un puissant instrument scientifique qui pourrait mesurer les ondes gravitationnelles, prendre la mesure de la forme gravitationnelle de la Terre et peut-être même détecter la matière noire.
Comment l'ont-ils fait?
Les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie disent que leur nouvelle horloge atomique est basée sur l'ytterbium, un élément des terres rares. Ils utilisent une grille de faisceaux laser appelée réseau optique pour piéger 1 000 atomes d'ytterbium. Les atomes «tiques» naturellement en basculant entre deux niveaux d'énergie. Cette action est appelée transition électronique atomique et il faut des nanosecondes pour se produire. Chaque fois qu'ils tiques ou changent de niveau d'énergie, les électrons émettent de l'énergie micro-ondes qui peut être détectée. Les physiciens du NIST ont construit deux de ces horloges en ytterbium, et en les comparant, ils ont atteint des performances record.
Cette performance record est mesurée de trois manières:
- Incertitude systématique: c'est ainsi que l'horloge représente bien les vibrations naturelles des atomes d'ytterbium. L'horloge ytterbium n'était décalée que d'un milliardième d'un milliardième.
- Stabilité: il s'agit de la fréquence à laquelle la fréquence de l'horloge change au cours d'une heure spécifiée. Dans ce cas, ils ont mesuré leur horloge en ytterbium et celle-ci n'a changé que de 0,0000000000000000000032) sur une journée.
- Reproductibilité: Cela mesure à quel point deux horloges ytterbium cochent à la même fréquence. Dans 10 comparaisons entre la paire d'horloges, la différence était encore inférieure à un milliardième de milliardième.
«L'incertitude, la stabilité et la reproductibilité systématiques peuvent être considérées comme le« flush royal »des performances de ces horloges», a déclaré le chef de projet Andrew Ludlow dans un communiqué de presse. "L'accord des deux horloges à ce niveau sans précédent, que nous appelons reproductibilité, est peut-être le résultat le plus important, car il requiert et justifie essentiellement les deux autres résultats."
Einstein nous a montré que le temps passe différemment selon la gravité à laquelle vous êtes également soumis. Le tic-tac des atomes dans une horloge atomique est ralenti lorsqu'il est observé dans une gravité plus forte. Au sommet du mont. L'Everest, par exemple, le temps se déplace plus rapidement qu'au fond de la fosse des Mariannes. C'est parce que, ici sur Terre, la force de gravité est concentrée au centre de la planète. Plus vous vous éloignez du centre, moins il y a de gravité. L'effet n'est pas grand, peut-être seulement des millionièmes de seconde. Mais c'est là. Cela semble contre-intuitif en quelque sorte, mais c'est ce qu'Einstein a montré, et il a été prouvé correct.
La particularité de cette nouvelle horloge atomique est que sa reproductibilité démontrée signifie que l'erreur de l'horloge est inférieure à notre capacité de détecter l'effet gravitationnel sur le temps ici sur Terre.
Le physicien du NIST, Andrew Ludlow, l'explique ainsi: «… la reproductibilité démontrée montre que l'erreur totale des horloges tombe en dessous de notre capacité générale à tenir compte de l'effet de la gravité sur le temps ici sur Terre. Par conséquent, comme nous envisageons que des horloges comme celles-ci soient utilisées dans le pays ou dans le monde, leurs performances relatives seraient, pour la première fois, limitées par les effets gravitationnels de la Terre. »
Les physiciens disent que maintenant que nous avons une horloge dont la précision est supérieure à l'effet gravitationnel sur le temps, nous pouvons utiliser l'horloge pour mesurer la forme gravitationnelle de la Terre. La façon habituelle de mesurer la forme gravitationnelle de la Terre consiste à mesurer ses marées. Des marégraphes placés dans le monde entier sont utilisés, mais leur précision n'est que de plusieurs centimètres. Les nouvelles horloges pourraient ramener cette précision à moins d'un centimètre.
En fait, ces horloges en ytterbium peuvent être utilisées pour mesurer bien plus que la forme gravitationnelle de la Terre. Ils peuvent être utilisés pour mesurer l'espace-temps lui-même et pour détecter les ondes gravitationnelles du premier univers. Il est possible qu'ils puissent même mesurer la matière noire. À ce niveau d'exactitude et de précision, cet instrument est bien plus qu'une simple horloge.
Ce n'est pas seulement la gravité qui peut affecter une horloge comme celle de l'ytterbium. D'autres effets environnementaux peuvent perturber la précision de l'appareil. Ils doivent être maintenus refroidis et isolés de tout champ électrique parasite. Les nouvelles horloges sont protégées des effets électriques et thermiques afin qu'elles puissent être prises en compte et corrigées.
Grâce à des améliorations comme le blindage électrique et thermique, les physiciens construisent des horloges portables en ytterbium qui peuvent être transportées vers différents laboratoires pour mesurer et comparer d'autres horloges. Ils pourraient également être déplacés vers d'autres endroits pour étudier les techniques de géodésie relativiste. Cela changerait la donne, car actuellement, nos meilleures horloges atomiques sont des horloges de taille de pièce, appelées «fontaines», qui utilisent l'atome de césium pour définir la seconde.
Mais cela pourrait être sur le point de changer avec les nouvelles horloges.
Les horloges atomiques précédentes sont basées sur l'élément césium, qui fournissait jusqu'à présent le chronométrage le plus précis disponible. La vibration de l'atome de césium est utilisée depuis les années 1960 pour définir la durée d'une seconde dans le Système international d'unités (ISU). Mais avec le développement de l'horloge ytterbium, le temps du césium pourrait être écoulé.
La première horloge au césium a été construite en 1955, et depuis lors, elle a été l'étalon-or. La définition officielle de la seconde, si vous êtes intéressé, est utilisée depuis 1967. Elle dit: «La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfin du sol état de l'atome de césium 133 ". Puis en 1997, ils l'ont clarifié pour signifier que le césium devait être à 0 Kelvin.
D'autres horloges atomiques ont été construites en utilisant du rubidium, qui peut être rendu portable. Ils ne sont pas aussi précis que le césium, mais ils sont assez bons pour des applications comme le GPS, les stations de base pour téléphones portables et pour contrôler la fréquence des stations de télévision. Mais avec le développement de la nouvelle horloge atomique utilisant l'atome d'ytterbium, nous pouvons avoir le meilleur des deux mondes: une précision scientifique sans précédent et une portabilité.
La nouvelle horloge atomique en ytterbium est un candidat de premier plan pour redéfinir la définition de la longueur d'une seconde. En effet, il atteint le seuil de précision défini par le Système international d'unités. Cet organisme a déclaré que toute nouvelle définition nécessiterait une amélioration de 100 fois de la précision validée par rapport aux horloges au césium actuellement utilisées pour définir la seconde.
Nous avions l'habitude de définir le temps par la rotation de la Terre, mais nous avons parcouru un long chemin depuis lors. Une horloge atomique utilisant le taux de tick d'un élément des terres rares pour mesurer la forme gravitationnelle de la Terre, les ondes gravitationnelles du premier Univers, et peut-être même la matière noire est quelque chose qu'aucun humain historique n'aurait jamais pu imaginer quand il a enfoncé un bâton le sol pour faire un cadran solaire.
- Communiqué de presse: Les horloges atomiques du NIST gardent suffisamment de temps pour améliorer les modèles de la Terre
- Document de recherche: Performances de l'horloge atomique au-delà de la limite géodésique
- MIT News: Chronométrage atomique, en mouvement
- Wikipédia: horloge atomique
- Wikipédia: césium standard
- Wikipédia: transition électronique atomique
