Présentation de l'ouvrage

La mesure du temps fondée sur des propriétés atomiques est née en 1955 lorsque le premier étalon de fréquence a jet de césium a commencé a fonctionner régulierement au Royaume-Uni. Certes, des étalons atomiques d'autres types avaient été essayés auparavant, mais ils n'étaient pas en mesure de rivaliser avec les mouvements astronomiques, comme le fut d'emblée l'étalon a césium, pour fournir l'unité de temps et les échelles de temps uniforme. Les étalons a césium se sont vite multipliés, tandis que leur exactitude progressait. Leur bon accord inspira confiance, de sorte qu'il fut possible d'adopter une définition atomique de la seconde, a la place de sa définition astronomique, en 1967. Quelques années plus tard, l'existence d'une échelle de temps atomique, propre a régler les activités mondiales, était reconnue par la 14e Conférence générale des poids et mesures (1971).

Pourtant, un quart de siecle plus tard, la mesure atomique du temps n'est pas vraiment devenue familiere. Est-ce du a notre profonde habitude de voir les astres régler le cours de nos existences, au peu de poésie des horloges atomiques, a l'impossibilité de percevoir leur exactitude ? Peut-etre. Mais il y a aussi des raisons plus objectives qui rendent parfois difficile l'acceptation du temps atomique : on peut citer la nécessité d'inscrire la mesure du temps dans un cadre relativiste, les rapports complexes entre le temps atomique et les temps des théories dynamiques qu'emploient les astronomes. Ce dernier probleme a fait l'objet de controverses qui se sont étendues sur une vingtaine d'années; l'Union astronomique internationale a tenté d'y mettre fin par une résolution adoptée en 1991 sans, semble-t-il, y etre parfaitement parvenue. Récemment certains ont pu penser que la découverte des pulsars rapides, dits pulsars a la milliseconde, allait faire revenir la mesure du temps dans le giron de l'astronomie...

Les physiciens, dans la quiétude de leurs laboratoires, ne sont guere perméables a ces interrogations. Apres une période de stagnation dune vingtaine d'années, un soudain gain d'exactitude des étalons de fréquence est apparu en 1994 et les techniques nouvelles qui ont permis ce gain sont prometteuses de considérables progres dans un avenir immédiat. L'industrie n'est pas en reste. Les horloges a quartz et les horloges atomiques de divers types qu'elle produit, s'améliorent sans cesse. L'instrument de prédilection pour les travaux fondamentaux, qui est toujours resté l'horloge a césium, a été construit en milliers d'exemplaires. Il en est apparu, en 1994, une version industrielle nouvelle qui marque un gain d'un facteur de dix pour l'ensemble des qualités, par rapport aux versions antérieures.

Grâce a la production industrielle d'instruments horaires, d'importantes applications de techniques temps-fréquence ont vu le jour. Par exemple, le Global Positioning .System (GPS), systeme de positionnement par satellites qui intéresse une gamme d'utilisateurs allant des géodésiens. qui cherchent a représenter globalement la Terre au centimetre pres, aux randonneurs (sans oublier les militaires pour qui le systeme a été conçu) a été completement installé en 1999.

Face aux développements récents de cette technique déja ancienne de la mesure atomique du temps et aux problemes nouveaux que pose le gain de qualité, il nous a paru opportun d'en exposer les fondements : principes de base, réalisation des meilleurs étalons, méthodes de comparaison de fréquence et de temps d'une exactitude ultime, moyens d'acces aux références primaires, c'est-a-dire aux meilleures réalisations de la seconde et au Temps atomique international au plus haut niveau d'exactitude. Il nous a paru utile aussi de rappeler le rôle des temps astronomiques qui gardent de l importance pour diverses raisons.

Nous l'avons déja mentionné : la mesure fondamentale du temps ne peut plus se concevoir hors d'un cadre relativiste. La relativité générale d'Einstein, la plus simple de ces théories, a toujours été, jusqu'a maintenant, trouvée en accord avec l'expérience. Nous l'adopterons comme théorie de travail. Mais nous devons avouer nos hésitations a ce sujet. Tout d'abord, nous avons pensé traiter la mesure du temps dans le cadre de la physique classique et indiquer, en petits caracteres, ce qu'il fallait ajouter pour prendre en compte les effets relativistes. Mais il nous a paru que cette méthode pouvait conforter l'idée tres répandue que la relativité générale était, en quelque sorte "additionnelle" a la théorie classique et que son apport consistait en petites corrections relativistes, alors qu'en réalité c'est un modele complet de la structure de l'espace et du temps, ainsi que de la gravitation. Nous avons donc directement établi les développements utiles dans le cadre de cette théorie. Que le lecteur peu familier de ces questions ne s'en effraie pas! Nous n'irons pas plus loin que le rappel de postulats de la théorie et des développements mathématiques d'une grande simplicité.

Le fil linéaire de l'exposé écrit convient assez mal pour faire apparaître les interactions entre les divers aspects de la mesure du temps. La breve description des divers chapitres de l'ouvrage, qui suit, pourra aider le lecteur a s'orienter.

Le deuxieme chapitre rappelle les principes fondamentaux de la mesure du temps, pour les phénomenes macroscopiques. les seuls qui seront considérés ici. C'est, a vrai dire, essentiellement un rappel des considérations de H. Poincaré dont la pertinence s'étend au cadre relativiste.

Le troisieme chapitre montre comment s'inscrit la mesure du temps dans la relativité générale. Dans un espace étendu, le temps est l'un des éléments d'un systeme de coordonnées a quatre dimensions et il ne peut pas etre dissocié des coordonnées spatiales. Nous définirons les systemes de coordonnées utilisés et nous établirons quelques équations permettant de relier la physique locale aux coordonnées d'espace-temps. Nous découvrirons aussi l'aspect conventionnel des synchronisations et des comparaisons d'horloges distantes.

Le quatrieme chapitre apporte une note historique. II montre comment a évolué la mesure du temps, essentiellement au cours du 20° siecle : évolution des idées, stimulée par l'évolution des techniques, problemes soulevés par la transition de la mesure astronomique du temps a sa mesure atomique.

Le cinquieme chapitre présente les outils dont on a besoin pour exploiter les étalons atomiques de temps : la maniere de caractériser leurs qualités métrologiques et les méthodes employées pour les comparer entre eux. La caractérisation de la stabilité de fréquence a conduit a des travaux de statistique nouveaux sur les séries temporelles de mesures et a la définition de variances qui permettent aux constructeurs d'étalons de fréquence et aux utilisateurs de parler un langage commun. La caractérisation de l'exactitude de fréquence est aussi un probleme propre a la mesure du temps, bien qu'on puisse l'étendre a toute grandeur dont l'unité est fournie directement par un phénomene naturel que l'on considere reproductible. Quant a la comparaison a distance des fréquences et des échelles de temps, on verra qu'elle est critique en ce sens qu'elle apporte souvent des incertitudes supérieures a celles des grandeurs que l'on veut comparer.

Le sixieme chapitre traite des étalons atomiques de fréquence et de temps aussi appelés horloges atomiques. Les notions essentielles, mais élémentaires, de physique atomique et de spectroscopie nécessaires a la compréhension du fonctionnement et des propriétés de ces étalons sont tout d'abord rappelées. Il existe plusieurs sottes d'horloges atomiques, mettant a profit une transition entre niveaux atomiques d'un meme type, mais dans des atomes de nature différente : césium, hydrogene, rubidium. On utilise meme des ions, tels que lion mercure. Les horloges a césium construites et exploitées dans les laboratoires de métrologie réalisent au mieux la définition de la seconde. Ce sont les étalons primaires de fréquence et de temps. Leur qualité principale est leur exactitude. Des versions industrielles d'horloge a césium permettent une dissémination relativement peu couteuse de l'unité de temps et, finalement, du temps atomique. Les autres variétés d'horloges atomiques seront également décrites. Elles sont construites ou développées en raison de leur adaptation a différents domaines d'emploi. Certaines sont volumineuses mais tres stables, d'autres moins stables mais tres compactes. Dans ce chapitre nous indiquons les principes de la manipulation d'atomes par des rayonnements issus de lasers. Cette technique expérimentale, apparue récemment. permet de ralentir et de piéger des atomes avant de les lancer a tres faible vitesse de façon tres bien contrôlée. Elle permet, depuis 1996, d obtenir une exactitude qui surpasse celle des autres étalons primaires de fréquence et de temps. La potentialité des méthodes de manipulation des atomes dans des faisceaux laser, ainsi que la compétition internationale qu'elles suscitent, garantissent une poursuite de l'amélioration des performances des horloges atomiques.

Le septieme chapitre est essentiellement consacré a la construction de l'échelle de temps atomique unique, prise comme référence internationale par convention, le Temps atomique international, TAI. On verra comment fonctionne la coopération mondiale qui permet de l'établir et d'assurer sa pérennité, quelle est sa qualité, comment il est disséminé. On verra aussi qu'il a fallu transiger et accepter pour référence pratique une échelle de temps fondée sur le TAI, mais ingénieusement bricolée pour ne pas s'éloigner du Temps universel fourni par la rotation terrestre... C'est le Temps universel coordonné, UTC. On montrera comment on peut obtenir, a partir du TAI ou du UTC, la seconde dite propre, dont on a besoin dans les laboratoires.

Le huitieme chapitre donne la définition de temps astronomiques en usage. Les temps astronomiques ont été peu a peu élaborés a partir de l'observation des astres, au cours d'une longue histoire. Leurs définitions habituelles gardent l'empreinte de ces développements historiques et elles en sont quelque peu obscurcies pour ceux qui ne sont pas familiers avec I'astronomie. Nous nous sommes efforcés de faire apparaître les concepts sur lesquels sont fondées les définitions opérationnelles données par les astronomes. Nous verrons a quoi servent ces temps. En particulier, le Temps universel, témoin de la rotation terrestre, est une grandeur tres importante qui doit etre mesurée en permanence, a tel point que les efforts consacrés a sa mesure sont d'un ordre de grandeur comparable a ceux qui sont consacrés au temps atomique. Quant a l'étude des pulsars, si elle ne peut nous donner une bonne mesure du temps, elle est néanmoins contrariée par les incertitudes du temps atomique... C est l'une des plus exigeantes applications des horloges atomiques.

Enfin, le neuvieme chapitre expose quelques applications choisies a cause du haut niveau de qualité des étalons de temps et de fréquence quelles requierent. C'est évidemment dans la recherche que se situent ces applications, car l'emploi des étalons de temps dans des programmes plus directement utilitaires demande que soient sacrifiées un peu de leurs qualités ultimes au profit de la fiabilité et du moindre cout. Cependant, le décalage d'exactitude et de stabilité entre les instruments de laboratoires et ceux qui ont un rôle plus pratique est parfois faible. Le Global Positioning System illustre bien ce fait; comme nous sommes tous des utilisateurs directs ou indirects de ce systeme, nous le décrirons avec quelque détail. Nous montrons aussi, a titre d'exemple, comment la mesure du temps intervient dans une mission d'océanographie spatiale, Topex/Poseidon : elle est sous-jacente, avec un haut niveau de qualité, dans de nombreux aspects de la mission.

REMERCIEMENTS

Nous avons le plaisir de remercier les collegues et les organisations qui nous ont aidés a préparer ce livre de diverses manieres : discussions, fourniture de documents inédits, de figures et de photographies, apport de renseignements, lecture critique de parties du texte : Roland Barillet, Andreas Bauch, Bernard Cagnac, Pierre Cérez, .André Clairon, Noél Dimarcq, Robert E. Drullinger, Bernard Dubouis, Martine Feissel, Dominique Ferrand, Georges Fréon, François Gonzalez, Michel Granveaud, Peter Kartaschoff, Philippe Laurent. Michel Lefebvre, Wlodzimierz Lewandowski, Pierre Petit, Genevieve Théobald, Claudine Thomas, loltn D. Prestage, Pascal Rochat, l'A,ssociazione Elettrotecnica cd Elettronica Italiane, le Bureau international des poids et mesures, le Service des calculs et de mécanique céleste du Bureau des longitudes. Merci aussi a Liliane Bergeal pour avoir réglé bien des problemes administratifs et a Pascale Michel pour la frappe délicate de l'ouvrage.
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