Une brève histoire de la mesure du temps | Noel Dimarcq | TEDxParisSalon

Noël Dimarcq est directeur de recherche au CNRS. Il est docteur et agrégé en physique. Son domaine de recherche porte sur l'utilisation du caractère ondulatoire de la matière pour réaliser des mesures de très haute précision, en particulier celles du temps. Noël Dimarcq a obtenu en 2008 la médaille d'argent du CNRS pour ses travaux sur les horloges atomiques et les capteurs inertiels. Il dirige actuellement le laboratoire SYRTE - Systèmes de référence Temps-Espace situé à l'Observatoire de Paris. Ce laboratoire développe entre autres des horloges atomiques ultra précises pour réaliser des tests de physique fondamentale et construire le temps légal français.

Bonjour à tous !
Je vais vous parler de mesure du temps.

Pour parler de mesure du temps,

je pense qu'il faut commencer forcément
par une question évidente :

quelle heure est-il ?

C'est une question qui paraît anodine

mais si on faisait
l'expérience aujourd'hui,

que l'on regardait chacun l'heure
à notre montre,

chacun aurait une heure différente
de son voisin ou de sa voisine.

En particulier, vous auriez une heure
différente de celle affichée

sur cette horloge un peu particulière.

C'est une horloge qui vous donne
le temps atomique.

Je n'ai pas pu apporter
une horloge atomique

avec moi aujourd'hui.

Mais le temps atomique est construit

à l'observatoire de Paris,

Il est diffusé par onde radio.

Et là, on reçoit cette information.

Je pense que si vous comparez l'heure
– là c'est la date, 27 novembre –

à l'heure que vous voyez ici,
vous voyez une différence.

Ma présentation,
ça ne va pas être uniquement

vous expliquer comment remettre
les pendules à l'heure.

Ça va être aussi vous expliquer comment
mesurer très précisément le temps.

Vous verrez que les ordres de grandeur
de précision sont assez impressionnants.

Et vous donner quelques applications
originales ou fascinantes.

Je vais commencer par
quelque chose de très simple :

pour mesurer le temps,
on va utiliser une règle.

J'ai pris l'analogie avec une
règle temporelle, une règle spatiale.

Si vous voulez mesurer une distance,

vous allez prendre une règle

qui est graduée,

vous allez compter
le nombre de graduation.

(par exemple là, des centimètres)

et si vous comptez 5 graduations,

en supposant qu'une graduation
vaut un centimètre,

vous allez déduire que votre longueur
vaut 5 centimètres.

Avec le temps, ça va être pareil.

On va utiliser une règle temporelle.

Une règle temporelle, on peut
la matérialiser avec un oscillateur.

Un oscillateur,
c'est une dispositif physique

qui va vous donner un signal
périodique avec le temps

(dont un paramètre est reproduit
de façon périodique avec le temps).

J'en ai apporté un avec moi,
le pendule de Tournesol.

Ça, c'est un oscillateur.

Vous voyez qu'on peut compter le temps,

en comptant le nombre d'aller-retour.

Si on dit que l'aller-retour
se fait en une seconde,

on peut compter 1, 2, etc.
le temps qui passe.

En utilisant cette règle temporelle,

donc la graduation élémentaire
– ce qu'on appelle la période –

on va pouvoir mesurer le temps.

On imagine bien que si
l'on veut avoir une meilleure précision,

il va falloir avoir plus de graduations.

C'est l'équivalent
de ce qu'on a avec une règle.

Si votre règle, au lieu d'être
graduée en centimètres,

est graduée en millimètres,

et que vous en mesurez 51
(petites graduations millimétriques),

vous allez en déduire que
votre longueur fait 5,1 centimètre.

C'est exactement pareil
pour la mesure du temps.

Si vous prenez un oscillateur
qui va plus vite

que ce que je viens de vous montrer,

et qui a donc une période plus courte,

c'est-à-dire une fréquence,

un nombre de battement
par seconde plus élevé,

vous allez avoir une bien meilleure
résolution dans la mesure du temps.

C'est ça qui a vraiment orienté
les recherches

depuis l'invention de la mesure du temps
par les oscillateurs.

Typiquement, si on donne
des ordres de grandeurs,

vous prenez une horloge mécanique,

qui n'est pas forcément franc-comtoise

mais qui est mécanique,
comme mon petit pendule oscillant,

ça bat à un battement par seconde,

donc vous n'avez pas
une énorme précision,

quand vous voulez mesurer
une seconde.

Si maintenant vous prenez un oscillateur

que vous transportez avec vous

dans votre montre ou
votre téléphone portable,

qui a un oscillateur à quartz
qui utilise la piézoélectricité,

qui a une forme
de petit diapason qui vibre

et qui est de taille millimétrique,
ça va battre

à 32 768 battements par seconde.

Vous allez découper une seconde,

en 32 768 petites périodes élémentaires.

Pourquoi ce nombre un peu bizarre ?

C'est un nombre qui est facile
à diviser par deux, 15 fois,

pour arriver à un battement par seconde,

pour avoir le tic-tac de votre montre.

Et si l'on va à l'extrême,

aux oscillateurs qui sont les plus rapides

qu'on connaisse aujourd'hui,

qu'on appelle (les oscillateurs
dans le domaine optiques) les lasers,

vous voyez qu'un laser est un oscillateur

qui va vous donner
une onde électromagnétique

qui bat extrêmement vite puisqu'elle va

découper votre seconde
en 500 000 milliards de petits battements.

Vous voyez que la graduation élémentaire
est extrêmement petite.

On va compter 500 000 milliards et se dire
qu'une seconde s'est écoulée,

on va recompter 500 000 milliards etc.

Vous voyez, dans la mesure du temps,

finalement, avoir une fréquence la
plus élevée possible,

c'est ce qui va vous donner
la plus grande précision.

A ce niveau-là, on se dit
qu'on a à peu près résolu le problème.

Pas tout à fait ! En fait,
quelle confiance on a dans la mesure ?

Je reprends l'exemple de mes deux règles.

Vous achetez deux règles,

à deux endroits, deux pays différents,
et vous faites une mesure,

faites l'expérience, vous verrez

que ça ne marchera peut-être pas

aussi exagéré que ça,
mais vous verrez

que ça marche très bien.
vous allez voir que,

pour une même longueur,

vous n'avez pas le même nombre
de graduation.

Donc à qui faire confiance ?

A quelle règle faut-il faire confiance,
quelle est la bonne mesure ?

Pour les oscillateurs,
pour la mesure du temps,

on va avoir le même problème.

Votre oscillateur,
deux oscillateurs différents,

ne vont pas donner exactement,

le même nombre de période
pour mesurer une durée donnée,

chaque petite graduation
va être différente,

si vous prenez un oscillateur,

suivant l'endroit, ou l'instant
où vous allez l'utiliser,

il ne va pas vous donner la même mesure.

Par exemple,
le pendule que je vous ai montré,

qui oscille, si vous l'utiliser
à l'équateur ou aux pôles,

parce que la période d'oscillation
dépend de la force de gravité,

au bout d'un an, vous aurez
à peu près deux jours d'écart

entre les deux mesures.
C'est énorme,

peut-être pas
dans la vie de tous les jours,

quoique deux jours, c'est important !

Mais pour les applications
que je vais vous montrer,

c'est quelque chose de très gênant.

Comment résoudre le problème ?

C'est là qu'on construit
des horloges atomiques,

et l'atome est la solution à ce problème

puisque c'est l'atome
qui va servir de référence.

Qu'est-ce qui se passe dans
une horloge atomique ?

C'est relativement simple

Vous avez toujours un oscillateur,

mais on va comparer sa fréquence

à une fréquence qui est infiniment stable,

universelle et extrêmement bien connue

qui est la fréquence de résonance

pour passer
d'un niveau atomique à un autre.

Pourquoi cette fréquence atomique
est très bien connue ?

C'est parce que la mécanique quantique

nous informe que les états d'énergie

c'est-à-dire que les niveaux d'énergie

entre lesquels
les atomes vont pouvoir transiter,

ces états d'énergie ont des valeurs
extrêmement bien fixes

et bien déterminées.

Donc la fréquence de résonance
pour aller d'un niveau à un autre,

sera, elle aussi, extrêmement bien fixée.

Vous avez une photo de l'horloge atomique

qui est à l'observatoire de Paris.

Aujourd'hui, en utilisant des atomes
qui sont un peu particuliers

car ce sont des atomes froids

qu'on refroidit par laser,

à des températures extrêmement basses,

qu'on vient piéger
avec de la lumière laser,

en utilisant des oscillateurs optiques

qui battent extrêmement vites,

on arrive à avoir une précision,
dans la mesure du temps,

qui est très impressionnante
puisqu'une horloge,

parmi les meilleures horloges
au monde aujourd'hui,

ne va dériver d'une seconde
qu'au bout de 3 milliards d'années.

En d'autres termes,
on est capable de donner

la valeur de la petite graduation,
ou de la fréquence de l'horloge

avec 17 chiffres après la virgule.

Vous voyez que c'est une application,

qui est très impressionnante,

un niveau de stabilité
qui est très impressionnant,

et ça a plein d'applications.

La première application,
c'est l'horloge parlante.

C'est une application
qui parle au public, en général.

Elle vient d'où, l'horloge parlante ?

Elle a été créée
à l'observatoire de Paris en 1933,

Dans ce temps-là, c'était
les astronomes qui donnaient l'heure,

ce n'était pas la physique atomique.

La ligne de l'observatoire de Paris
s'en est toujours occupée,

parce que tout le monde
appelait Ernest Esclangon

qui était le directeur de l'observatoire,
pour avoir l'heure.

Ernest Esclangon a eu l'idée
de développer cette horloge parlante.

Il y a eu plusieurs générations
d'horloge parlante,

aujourd'hui, l'horloge parlante
présentée ici vous donne l'heure

avec 50 millisecondes d'incertitude.

Comme la métrologie
est une science expérimentale,

on va appeler horloge parlante.

(Moi j'ai le droit de laisser branché,
c'est le privilège !)

C'est toujours le risque,
dans les expériences,

que ça ne marche pas.

Horloge parlante : il est 17 heures
7 minutes 10 secondes. (bip)

NR : On va attendre un petit peu

mais vous voyez que les trucs rouges,

Horloge parlante : il est 17 heures
7 minutes 20 secondes. (bip)

NR : Voilà, ça marche ! Merci!

(Applaudissements)

C'est une application qui parait anodine
mais qui est importante

au moment des changements
d'heure d'été, d'heure d'hiver.

Si on veut transmettre le temps
de façon plus précise,

on peut utiliser aussi internet,

les satellites de télécommunication
ou GPS, et cetera.

Ça, c'est la première application.

La deuxième application,
qui est très en vogue

et qui est très importante,

c'est d'utiliser les horloges atomiques

pour tester
la loi de la relativité d'Einstein

qui vous dit, depuis 100 ans,
que le temps n'est pas absolu.

C'est-à-dire que si vous
mettez des horloges identiques

et que vous les mettez
dans des référentiels différents,

qui bougent l'un par rapport à l'autre,

ou qui ont des paramètres
environnementaux différents,

vous allez trouver, mesurer
des différences,

entre les temps et
les fréquences d'horloge.

Ce côté non absolu du temps,
on le teste déjà au sol,

mais on va le tester de façon
extrêmement précise,

dans l'espace, en installant
une horloge ultra précise,

à bord de la station
spatiale internationale,

dans quelques années,

et en comparant le temps et la fréquence

de cette horloge qui sera dans l'espace,

avec les temps et les fréquences

d'horloges qui sont situées
tout autour de la Terre,

on pourra valider la théorie d'Einstein,

sachant que toute les théories modernes

prédisent une violation
de la théorie d'Einstein.

Il y a un vrai enjeu scientifique
à faire ça,

on va tester différents aspects
de la relativité générale,

on va tester par exemple,
une propriété assez intéressante,

qui dit que les constantes
fondamentales sont constantes.

Ce n'est pas anodin : en physique,

il y a tout un jeu de constantes,

qu'on suppose constantes, et en fait

toutes les théories modernes
prédisent que ces constantes dérivent

à la fois dans le temps et dans l'espace,

on va pouvoir le tester assez précisément.

On va tester aussi un effet
de relativité générale

qui dit que le temps s'écoule
à un rythme différent

en fonction de l'altitude :

par exemple, vous qui êtes assis
au premier rang,

vous ne vieillissez pas à la même vitesse

que ceux qui sont assis au dernier rang,

car vous n'êtes pas assis
à la même altitude.

Je vous rassure, parce que
sur la durée de ma présentation,

la différence de vieillissement
c'est à peu près une picoseconde,

soit 10 puissance -12 secondes, donc
un millionième de millionième de seconde

il ne faut pas courir pour descendre,
ou monter, restez assis !

On va tester aussi que
la vitesse de la lumière est constante,

c'est un postulat extrêmement fort
de la relativité restreinte,

de dire que la vitesse de la lumière
est indépendante du référentiel

par rapport auquel on la mesure.

C'est une propriété
extrêmement importante,

qui est utilisée pour effectuer
des mesures de distance,

à partir de mesures de temps.

Si vous voulez mesurer une distance,

vous utiliser un signal
qui va se propager,

et en connaissant le temps de propagation,

si vous supposez que la
vitesse de propagation est connue,

ce qui est le cas avec la vitesse
de la lumière,

vous allez en déduire la distance,

On se dit qu'il n'y a pas besoin

d'avoir des horloges ultra stables
pour faire ça. Eh bien si !

Parce que la lumière va vite,
300 000 km par seconde,

si vous faites
une erreur d'une nanoseconde,

un milliardième de seconde,

vous vous trompez de 30 centimètres.

Typiquement, ce genre d'application,

mesurer des distances
à partir de mesures de temps,

c'est fait pour mesurer
la distance Terre-Lune

en envoyant des impulsions sur la Lune

qui sont réfléchies
par des rétro-réflecteurs

qui ont été installées par
les missions Apollo

pour mesurer la distance Terre-Lune
à mieux que le centimètre.

Quand on fait mesurer une distance

on sait se positionner.

Comment on fait ?

Avec le système GPS, par exemple,

si vous avez une constellation
de satellites dans lesquels il y a

des horloges atomiques
toutes synchronisées,

en mesurant les temps de parcours

de chaque onde, depuis chaque satellite,
vers votre récepteur,

vous mesurez votre distance
par rapport à chaque satellite,

et par triangulation,
vous mesurez votre position ;

il vous faut 4 satellites
parce que dans l'espace-temps,

il y a 4 coordonnées : x, y, z, et t
puisqu'il faut aussi le temps

pour se positionner dans l'espace-temps.

Vous voyez que les applications du GPS

c'est pas uniquement pour se
positionner en voiture,

là où on a besoin d'avoir
quelques mètres de résolution,

mais aussi des applications
en termes de géophysique,

puisqu'on va être capable d'analyser

le mouvement des plaques tectoniques

avec des résolutions de l'ordre
de quelques centimètres par an,

ce qui est une très bonne résolution.

C'est intéressant parce qu'à partir
des mesures de temps,

on connait le fonctionnement de la Terre,

on connait les fluctuations
de la rotation de la Terre,

c'est intéressant parce qu'historiquement,
c'était le contraire :

c'était la rotation de la Terre
qui donnait l'heure.

Actuellement c'est le contraire,
c'est la mesure du temps

qui permet de connaître les fluctuations
de la rotation de la Terre.

C'est quelque chose que
vous avez peut-être entendu

à la radio ou à la télévision,

les fameuses secondes intercalaires :

le fait que la Terre ne tourne pas rond,
(on le sait tous)

alors que le temps atomique
est infiniment stable,

fait que les deux échelles de temps,

liées à la rotation de la Terre

et aux horloges atomiques,

vont dériver l'une par rapport à l'autre.

Pour éviter

qu'elles se décalent trop,

on rajoute, volontairement,

au niveau international,

une seconde supplémentaire

qu'on appelle seconde intercalaire,
ça veut dire que,

en général tous les deux ans,

soit le 30 juin, soit dans la nuit
du 31 décembre,

(le 31 décembre
on ne s'en rend pas trop compte)

il y a une minute qui fait 61 secondes.

Et ce saut doit être fait
sur toute la Terre.

En guise de conclusion,

j'aimerais vous montrer
que la mesure du temps

a quitté le domaine de l'astronomie

pour arriver dans le domaine
de la physique atomique,

et celui de la mécanique quantique.

Depuis l'invention des horloges,

à peu près au milieu du 20e siècle,

on a gagné un facteur 10 tous les 10 ans,

c'est une progression
vraiment très impressionnante.

Aussi, à chaque fois qu'on a
amélioré la précision, on s'est dit :

ça sert à rien d'avoir
tous ces chiffres après la virgule.

Ce n'est pas vrai, à chaque fois,

Il y a eu une application

qui est intervenue après,
10 ans après, 20 ans après,

qui a utilisé cette précision.

Je pense que dire en conclusion

que les mesureurs de temps
sont en avance sur leur temps

est tout à fait logique dans ce cas-là.

Je vous remercie beaucoup.
(Applaudissements)