La mesure du temps et la datation
A) Le Temps atomique international
Le temps atomique international a été défini en 1967 lors de la 13ème conférence générale des poids et mesures, et succède au temps astronomique (cf page mesure astronomique). Cette échelle de temps est aujourd’hui la plus précise au monde. Son unité est la seconde. Elle a été définie comme étant la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'isotope 133 stable de l'atome de césium (explication dans l'horloge atomique ). La structure hyperfine d'un niveau d'énergie dans un atome consiste en une séparation de ce niveau en plusieurs états d'énergies très proches. Elle se caractérise essentiellement par une raie spectrale dans le domaine radio ou micro-onde.
Les different état du Césium
Nous pouvons donc dire que ce sont les atomes et les photons qui mesurent le monde. Aujourd’hui, ce sont les horloges moléculaires et atomiques qui sont les plus fiables, le temps atomique est d’ailleurs partout dans notre vie (horloges, montres, ordinateurs, GPS…). Cependant, bien qu’il soit indispensable pour les gens aujourd’hui, il est encore plus utile pour la physique et les mesures de précision. Le temps atomique possède une relation avec la théorie de la relativité d’Einstein, notamment grâce à la vitesse de la lumière, qui est devenue un facteur de conversion qui permet de transformer les secondes en mètres (notamment utilisé par les GPS). La théorie de la relativité d’Einstein signifie qu’un temps n’est pas perçu de la même manière en fonction du référentiel où l’on se trouve (exemple : référentiel terrestre). De nos jours, le temps atomique mesure à la fois le monde et l’espace. Les premières mesures de la distance entre la Terre et une planète ont été réussies en 1961. Le temps atomique a atteint une telle précision qu'il a donné les mesures de l'unité astronomique :
- 1 UA (unité astronomique) = 149 597 870 691 mètres
- 1 c (célérité) = 299 792 458 mètres par seconde
- 1 UA/c = 499,004 783 806 secondes
Grâce au temps atomique, nous pouvons donc dire qu'il faut un peu plus de 8 minutes pour que la lumière effectue la distance Soleil-Terre. Le temps atomique international est devenu de loin l’échelle de temps la plus précise au monde. En s’inspirant des principes de la relativité d'Einstein, l’homme a réussi à créer une horloge atomique, capable de mesurer le temps en utilisant l'evolution des phénomènes physique a l'echelle de l'atome (mecanique quantique).
- L'horloge atomique
Dès le milieu des années 1950, quelques horloges atomiques ont été mises au point. Elles reposent sur les lois de la mécanique quantique appliquées aux transitions entres des niveaux d'énergies d'atomes convenablement choisis, notamment l'atome de césium 133.
La mécanique quantique est la théorie mathématique et physique décrivant la structure et l'évolution dans le temps et l'espace, des différents phénomènes physiques à l'échelle de l'atome et en dessous.
Elle a été découverte lorsque les physiciens ont voulu décrire le comportement des atomes et les échanges d'énergie entre la lumière et la matière à cette échelle et dans tous les détails. Norman Ramsey reçu le prix Nobel de physique en 1989, pour avoir posé les bases sur lesquelles s'élèveront les horloges atomiques. Cette échelle de temps a été définie comme étant la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'isotope 133 stable de l'atome de césium. Un atome avoir différent niveau d'énergie, se qui correspond à la différence orbital pour les électrons de la couche électronique extérieur.
Pour qu'un atome effectue une transition vers un niveau supérieur, il faut l'exciter avec un rayonnement dont la fréquence est égal à la différence d'énergie entre les deux niveaux ( si la fréquence est supérieur ou inférieur à la fréquence définie, l'atome n'effectue pas la transition ). La probabilité de transition augmente lorsque la fréquence se rapproche de la fréquence définit. Une horloge atomique est composée de différents compartiments, qui servent à exciter les atomes, à les séparer de ceux qui ne sont pas excités et à compter les différents atomes. A chaque fois qu'un groupe d'atome déterminé passe dans les différents compartiments, on appelle cela une période, et le nombre de période définit la seconde. Pour l'atome de césium, nous avons trouvés que la seconde correspondait à 9 192 631 770 périodes. D'autres horloges fonctionnent aussi avec des atomes d'Hydrogène ou de Rubidium, et qui possèdent donc un nombre de périodes différents pour la seconde.
Le graphique represente l'exitation des atomes en fonctions de l'eclairement.
Les horloges atomiques servent aussi pour établir une échelle de temps mondiale, le « temps atomique international » (TAI). On cherche en outre à développer des horloges atomiques nouvelles de plus en plus précises pour faire des mesures plus fines de phénomènes physiques. Par exemple pour tester les lois de la relativité comme on se propose de le faire avec le projet Pharao. L'amélioration de la precision des mesures sur le temps servira à vérifier si le temps est élastique comme le dit Einstein, et pourquoi pas percer d'autres mystères comme : le temps s'écoule-t-il vraiment ?
Pour illustrer un peu le fonctionnement d'une horloge atomique, nous allons justement prendre l'exemple de cette horloge récente : Pharao.
- Pharao :
La théorie de la relativité générale d'Einstein de 1915 l'avait annoncer : le temps ralentit à proximité de toute masse. Le temps s’écoule un peu moins vite au sommet d'une montagne que dans la vallée car la gravité terrestre est moins forte en haut qu'en bas. Cet « effet Einstein » (aussi appelé red-shift en anglais) est encore plus perceptible lorsqu'on s’éloigne dans l’espace. À tel point que les systèmes de positionnement par satellite, tel que le GPS ou le système européen Galileo, sont obligés d'en tenir compte pour vous donner votre position avec précision. En orbite à 20 000 km d'altitudes, leurs horloges atomiques avancent en effet de 40 microsecondes chaque jour par rapport à leurs consœurs restées sur Terre. La mission Pharao permettra de gagner encore en exactitude. En 2017, Pharao deviendra la 1ère horloge à atomes froids en orbite autour de la Terre. Elle sera fixée à l’extérieur de la Station spatiale internationale.
Le fonctionnement de cette horloge est le suivant :
Tout d’abord, l'horloge est placée dans un bouclier qui la protège de tous champs magnétiques extérieurs. Elle est composée d'une chambre en titane sous vide avec des atomes de césium 133.
Projet Pharao, representation de l'horloge
Ces atomes entrent dans une zone de capture sous forme de vapeur, où, 6 faisceaux lasers capturent et refroidissent ces atomes à une température extrêmement basse ( 1 millionième de degré absolue ( -273,15°C)).
Le nuage d'atome froid est alors lancé par laser au travers de la chambre ultravide où un signal radio place certains atomes dans le premier niveau.
Ensuite, un faisceau laser éjecte les atomes qui ne sont pas dans le premiers niveau, puis ces derniers entrent dans une cavité où ils subissent un signal radio appelé « signal d'interrogation », où l'on compte le nombre d'atome. A cause du signal radio, certains atomes basculent dans le second niveau.
Les atomes sont ensuite illuminés par un laser particulier, se qui les fait briller.
A la sortie, une photo diode ( composant électronique ) capte cette lumière, se qui permet de les compter. Les atomes du niveau 2 sont alors éjectés par le laser suivant, et le reste des atomes dans le niveau 1 est ensuite basculé dans le niveau 2 par un second laser, et enfin ils sont recompter en utilisant la photo diode.
On connaît donc précisément le nombre d'atome dans chaque état, se qui suit une courbe de Ramsey. L'objectif est de maintenir 50 % des atomes dans chaque niveau.
Représentation d'une courbe de Ramsey
Ce processus est répété perpétuellement pour maintenir le signal radio régulé sous la définition officiel de la seconde.
Didier Massonet, le chef de projet de Pharao, a dit « Si les mesures de notre horloge nous permettent de mettre en évidence une petite déviation avec la théorie de la relativité général d'Einstein, ce sera un événement majeur pour la physique, car cette théorie est celle qui nous permet de comprendre l'univers ».
