Le chronométrage peut être aussi simple que de compter « un Mississippi, deux Mississippi. . . »avant de jouer au football dans la cour, ou de suivre les va-et-vient d’un pendule dans une horloge grand-père.
Dans les deux cas, l’astuce consiste à compter les intervalles de quelque chose qui se produit à plusieurs reprises avec le moins de variation possible. Un balancement pendulaire, disons, ou un « Mississippi » équivaut à peu près à une seconde, l’unité de mesure du temps qui, comme nous le savons, comprend les minutes et les heures.
Mais même les meilleurs pendules mécaniques et horloges à quartz développent des divergences. La » vibration » naturelle et exacte d’un atome sous tension est bien meilleure pour le chronométrage.
Lorsqu’elles sont exposées à certaines fréquences de rayonnement, telles que les ondes radio, les particules subatomiques appelées électrons qui orbitent autour du noyau d’un atome vont « sauter » d’avant en arrière entre les états d’énergie. Les horloges basées sur ce saut dans les atomes peuvent donc fournir un moyen extrêmement précis de compter les secondes.
Il n’est donc pas surprenant que la norme internationale pour la longueur d’une seconde soit basée sur des atomes. Depuis 1967, la définition officielle d’une seconde est de 9 192 631 770 cycles de rayonnement qui fait vibrer un atome de l’élément appelé césium entre deux états énergétiques.
À l’intérieur d’une horloge atomique au césium, les atomes de césium sont canalisés dans un tube où ils traversent des ondes radio. Si cette fréquence est juste à 9 192 631 770 cycles par seconde, les atomes de césium « résonnent » et changent d’état énergétique.
Un détecteur à l’extrémité du tube garde une trace du nombre d’atomes de césium qui y atteignent et qui ont changé d’état énergétique. Plus la fréquence des ondes radio est finement réglée à 9 192 631 770 cycles par seconde, plus les atomes de césium atteignent le détecteur.
Le détecteur renvoie des informations dans le générateur d’ondes radio. Il synchronise la fréquence des ondes radio avec le nombre maximal d’atomes de césium qui la frappent. D’autres composants électroniques de l’horloge atomique comptent cette fréquence. Comme pour une seule oscillation du pendule, une seconde est cochée lorsque le nombre de fréquences est atteint.
Les premières horloges atomiques de qualité fabriquées dans les années 1950 étaient à base de césium, et de telles horloges perfectionnées avec de plus grandes précisions au fil des décennies restent la base utilisée pour garder l’heure officielle dans le monde entier.
Aux États-Unis, les meilleures horloges sont maintenues par les National Institutes of Standards and Technology (NIST) à Boulder, Colo., et l’Observatoire naval des États-Unis (USNO) à Washington, D.C.
L’horloge atomique au césium NIST-F1 peut produire une fréquence si précise que son erreur temporelle par jour est d’environ 0,03 nanoseconde, ce qui signifie que l’horloge perdrait une seconde en 100 millions d’années.
Le chronométrage ultra-précis fait partie intégrante de nombreux éléments de la vie moderne, tels que les communications électroniques à grande vitesse, les réseaux électriques et le Système de positionnement mondial (GPS) et, bien sûr, savoir quand votre émission de télévision préférée s’allume.
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