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- Mise à jour le 8 Novembre 2013
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- CONFÉRENCE
«LA MESURE DU TEMPS»
- Par Noël DIMARCQ Directeur
du SYRTE Observatoire de Paris
Organisée par l'IAP
- 98
bis Bd Arago, Paris 14ème
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- Le mardi 5
Novembre 2013 à 19H30
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- Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec
plus de résolution peuvent m'être
demandées directement)
- Les photos des slides sont de la présentation
de l'auteur. Voir les crédits
des autres photos
- Vidéo de la conférence par Canal U (ce
n’est plus le CERIMES) disponible sur leur site quelques jours après
(Canal U propose aussi toutes
les vidéos des conférences IAP) :
- voir : http://www.canal-u.tv/auteurs/institut_d_astrophysique_de_paris_iap/videos#element_2
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- BREF COMPTE RENDU
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- Noël Dimarcq est directeur du SYRTE,
Systèmes de référence Temps-Espace situé à l'Observatoire de Paris.
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- Il est spécialisé dans les horloges atomiques
et tous systèmes de mesure du temps.
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- Il nous parle ce soir du temps sous son aspect
mesure et non pas philosophique (du genre le temps existe-t-il ? etc…)
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- ÉCOULEMENTS
ASTRONOMIE.
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- Au début, une des méthodes les plus simples
pour mesurer l’écoulement du temps était de l’associer à un phénomène
linéaire, comme par exemple un sablier ou une
clepsydre (horloge à eau, signifie voleur d’eau dans le sens de
voleur du temps) ; de même les bougies graduées.
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- Mais on s’aperçu vite que la rotation de
notre planète étant périodique pouvait aussi être un indicateur du temps
qui passe.
- Cela a donné naissance aux gnomons et cadrans
solaires.
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- NDLR :
- Mais, car il y a un grand mais, la rotation
de la Terre n’est pas parfaitement régulière, indépendamment du fait
qu’il y a un temps sidéral (par rapport au fond des étoiles) et un temps
solaire (la Terre se déplace sur son orbite et il faut attendre un peu
avant de retrouver midi juste). Ce qui nous intéresse nous les Terriens
c’est le temps solaire.
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- On définit un temps solaire moyen :
temps entre deux passages à midi = 24 heures, or celui-ci n’est pas
constant ; l’orbite terrestre est elliptique. La différence entre le
jour solaire moyen et le jour solaire vrai est appelé l’équation
du temps. Cette variation peut être de +/- 15 minutes au cours de
l’année et sert à corriger l’indication des cadrans solaires.
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- De plus les mouvements de la Terre sont irréguliers
si on les regarde de près : mouvement du manteau et de l’intérieur
de notre planète, influence des forces de marée (Lune, Soleil) qui
ralentissent la rotation …. ; tout ceci nous a amené à l’époque
récente (à partir de l’introduction des horloges atomiques) à corriger
le temps universel en rajoutant
une seconde additionnelle de temps en temps pour rattraper cette irrégularité.
(courbe dans le coin supérieur droit)
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- (dernière addition d’une seconde : 30
juin 2012)
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- Définition
de la seconde :
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- Jusqu’en 1956 la seconde était une fraction
du jour solaire (1/86400) puis de 1956 à 1967 la seconde a été définie
comme une fraction de l’année tropique (365,2422 jours solaires,
intervalle de temps pour que le soleil retourne à la même position).
- Mais ce n’était pas assez précis, aussi à
partir de 1967, la seconde a été définie à partir d’horloges atomiques
(voir plus loin).
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- L’idée était de mesurer le temps avec un
oscillateur. Ce n’était pas nouveau, il y a quelques siècles on
utilisait le pendule battant la seconde, mais la période dépend de l’accélération
de la pesanteur, donc en fonction de sa propre position on n’a pas la même
valeur.
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- On a ensuite envisagé les oscillateurs à
quartz basés sur la piézoélectricité.
C’est ainsi que fonctionnent toutes les montres actuelles, grâce à un oscillateur
au quartz.
- La piézoélectricité a été découverte par Pierre
Curie dans les années 1880. La déformation mécanique de certains
cristaux entraînait la génération d’un signal électrique et réciproquement.
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- Cette technologie donne naissance à la
technologie MEMS (Micro
Electro Mechanical Systems).
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- Concernant les oscillateurs, il est fondamental
d’avoir la plus grande fréquence possible afin d’avoir une meilleure précision.
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- Dans l’ordre croissant on passe :
- Des horloges classiques aux
- Horloges à quartz puis
- Aux micro ondes et enfin
- Aux horloges laser.
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- HORLOGES
ATOMIQUES.
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Le
principe repose sur un principe quantique fondamental : un atome ne peut exister que sous différents niveaux d’énergie
bien quantifiés dépendant de la nature de cet atome. Lorsqu’il
est « illuminé » par un faisceau de photons à la bonne énergie,
l’atome peut chasser un électron d’une couche interne ; afin de
conserver l’énergie, l’atome réagit en émettant un photon
correspondant exactement à la différence d’énergie entre ces couches.
- Le principe d’une horloge atomique devient
donc « simple » : il suffit de compter la fréquence émise
par un atome bien particulier comme elle est constante, elle devient une
base de temps.
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- Ça c’est pour le principe, maintenant pour
arriver au résultat, on a besoin d’un asservissement avec un oscillateur
hyper fréquence à quartz qui va irradier une cavité résonante afin de
permettre aux atomes choisis (Cs par exemple) d’entrer dans la résonance
voulue (pour le Cs : 9129631770 Hz).
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- Plus on est proche de la fréquence recherchée
et plus les atomes sont excités, provoquant un signal qui va servir de
contre réaction (asservissement) à la fréquence de l’oscillateur, qui
va ainsi être pilotée par cette différence. À la fin, le signal est
parfaitement calé sur la fréquence de transition, fournissant ainsi une fréquence
stable.
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- C’est donc à partir de 1967 que la seconde
va être définie comme la durée de 9129631770 périodes de la radiation
correspondant à la transition de deux niveaux hyperfins de l’état
fondamentale du Cs 133.
- C’est le temps atomique international (TAI)
il est donné par la moyenne de quelques centaines d’horloges atomiques
mondiales, il est absolu et totalement déconnecté de la rotation de la
Terre et de ses variations éventuelles.
- C’est pour cette raison que l’on en a déduit
le temps universel UTC,
égal au TAI à un nombre de seconde près qui permet de tenir compte de la
rotation de la Terre (seconde additionnelle).
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- Une des causes d’instabilité de ces horloges
atomiques est l’agitation thermique des atomes utilisés.
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- Il faudrait donc utiliser des atomes « froids »
le plus proches possibles du zéro absolu, c’est ce que l’on fait avec
le refroidissement
laser qui a permis d’améliorer la précision de ces horloges de façon
exceptionnelle.
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- Ce sont des horloges
à atomes froids ou horloges à fontaine d’atomes.
- Cette technologie permet d’avoir des horloges
très petites et très performantes : 10-16
sur la fréquence soit sur le temps : une seconde de variation sur 300
millions d’années !
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- Il existe un projet pour mettre une telle
horloge dans l’espace sur l’ISS : PHARAO
(acronyme de Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en
Orbite). C’est un projet CNES/ESA qui devrait être installé en 2016.
- Elle permettra de tester la relativité.
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- D’autres améliorations : les horloges
optiques avec une fréquence 50.000 fois plus grande que pour le Cs.
- On devrait atteindre une précision de
l’ordre de une
seconde pour 3 milliards d’années !!!
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- Évolution de la précision de la mesure du
temps.
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- LES
APPLICATIONS DE CES HORLOGES ATOMIQUES.
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- ·
Redéfinition des unités SI
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Datation et synchronisation (transports, transactions bancaires etc…)
- ·
Nouvelle définition de l’heure légale basée sur UTC. (horloge
parlante puis radio pilotage par ondes hertziennes)
- ·
Diffusion des échelles de temps atomique.
- ·
Mesure des distances (tir laser sur la Lune par ex)
- ·
Positionnement par satellite : GPS
- ·
Test de la théorie de la relativité
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- Gloire à ces scientifiques précurseurs qui
ont permis cette avancée de la technique des horloges atomiques.
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- Un petit cocorico pour deux de mes professeurs :
- Alfred Kastler mon prof de thermo et
- Claude Cohen Tannoudji mon prof de MQ
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- Tos deux (comme beaucoup d’autres) prix
Nobel.
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- CONCLUSIONS.
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- La mesure de temps avec des atomes est de loin
la plus précise : de 10-16 à 10-17
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- Il y a de nombreuses retombées scientifiques
et sociales.
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- Avec les atomes froids, nous explorons un
nouvel état de la matière.
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- POUR ALLER PLUS LOIN :
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- De
la lumière laser aux atomes ultra froids
par le labo Kastler Brossel.
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- La
Nouvelle Définition de la Seconde et le Temps Atomique International
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- Le
saut de seconde
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- Les
horloges atomiques par le labo Kastler
Brossel.
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- Manipulation
d'atomes par la lumière, mesure du temps
par Claude Cohen-Tannoudji
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- Le
fonctionnement d’une horloge atomique.
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- Fonctionnement
des horloges atomiques. Plus simple
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- Une
vidéo sur le fonctionnement d’une horloge atomique.
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- Pharao
la machine à explorer le temps.
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- Les
horloges atomiques et l’espace : projet PHARAO / ACES
par Noël Dimarcq. Présentation pdf
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- Horloges
atomiques et transferts de temps ultrastables
par N Dimarcq Présentation pdf.
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- Une
brève histoire de la mesure du temps:
Noël Dimarcq vidéo de 15 minutes.
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- BIBLIOGRAPHIE SUR LE
TEMPS
- Notre
ami Christian Larcher nous fait parvenir cette imposante bilbio sur le Temps
(par auteur) qui ne concerne pas que la science, mais aussi la philo etc…,
merci à lui :
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