Introduction
Une Horloge atomique : à quoi ça sert ?
1. De l'utilité des horloges atomiques
2. Une histoire de temps
Principes physiques
Quelques types d'horloges
Conclusion
Le Temps Atomique Français
Récapitulatif
Bibliographie
Remerciements

Les horloges atomiques :
À quoi ça sert ?

Le temps humain à longtemps était vécu avant d'être mesuré, saisi au rythme des jours et des nuits, des saisons, des intempéries et des événements périodiques ou exceptionnels. Puis au fil du temps, les premiers instruments de mesure du temps apparurent et se perfectionnèrent. Le temps est aujourd'hui universel et identique pour tous.

1.- La connaissance du temps : quels enjeux ?

Le concept du temps et le besoin de l'évaluer sont des acquis relativement récents de l'homme : ils datent de seulement quelques millénaires. Ils résultent d'un curieux amalgames d'observations astronomiques, de pratiques religieuses et de régulation des activités humaines, comme l'agriculture.

L'alternance du jour et de la nuit fut sans doute le tout premier phénomène astronomique observé par l'homme. Les angoisses liées à une interruption éventuelle de ce cycle conduisent les hommes à imaginer des divinités capables d'agir sur les éléments naturels. Le temps primitifs relevait donc des dieux, lesquels avaient leurs représentants, ou serviteurs, humains, leurs prêtres et leurs souverains.

Le grand développement de l'horlogerie mécanique était devenu important pour les navigateurs. En effet, à l'époque des grandes découvertes et des grands voyages maritimes, une connaissance précise du temps est primordiale pour les navigateurs. Aujourd'hui, les horloges atomiques trouvent de nombreuses applications dans le même domaine. Ainsi , le système de positionnement GPS, utilise des horloges atomiques, tout comme les système Loran C (Long Range Navigation), Decca ou Omega. Les horloges atomiques s'avèrent également très utile pour le guidage précis des sondes spatiales.

Dans le domaine de la recherche fondamentale, elles ont également de nombreuses applications. Leur grande stabilité et leur précision est intéressante pour la recherche astronomique, notamment dans l'observation par radio-interférométrie. C'est ainsi que l'on utilise des horloges atomiques pour synchroniser les télescope VLBI.

En géophysique, cette précision permet d'étudier le mouvement des plaques tectoniques.

Elles permettent également de vérifier la théorie de la relativité, et notamment le paradoxe des jumeaux : en 1971, quatre horloges atomiques ont été emportées à bord d'avions dans deux voyages, un vers l'ouest, afin que leur vitesse se retranche de la vitesse d'entraînement due à la rotation de la Terre, et un autre vers l'Est, afin que leur vitesse s'ajoute à cette vitesse d'entraînement. Les temps donnés par ces horloges étaient comparés à celui donné par une horloge atomique placé à Washington. En tenant compte des itinéraires suivis par les avions, de leur latitude et de la durée des vols, la théorie de la relativité prévoyait qu'après un tour complet de la Terre, en se déplaçant vers l'Est, les horloges embarquées devaient marquer un retard de 40 milliardièmes de seconde par rapport à l'étalon-horloge resté à Washington ! Par contre après le voyage vers l'Ouest, les horloges embarquées devaient avancer de 275 milliardièmes de seconde. L'expérience a donné les résultats suivants : les horloges qui s'étaient déplacées vers l'Est retardées de 60±10 milliardièmes de seconde et les horloges qui s'étaient déplacées vers l'ouest avançaient de 270±10 milliardièmes de seconde. La vérification de la théorie de la relativité est donc faite. Elle a été confirmée par la suite en réalisant le même type d'expérience à l'aide de satellites artificielles en rotation autour de la Terre. D'autres aspects de la théorie de la relativités vont également être soumis à l 'épreuve des horloges atomiques spatiales : l'effet Shapiro( ralentissement des photons dans le champ de gravitation du Soleil), l'effet Einstein (décallage vers le rouge de la fréquence d'un photon émis dans une région de fort potentiel gravitationel et reçu dans une région de faible potentiel, le décalage se traduit par une avance appparente de l'horloge embarquée par rapport à une horloge terrestre). Ces mêmes horloges permettront également de mesurer la stabilité des constantes fondamentales de la physique. Ces deux derniers aspects constituent les principaux objectifs du projet de fontaine atomique spatiale Pharao en cours de réalisation par l'observatoire de Paris, le lanoratoire Kastler Brossel, le laboratoire de l'horloge atomique, l'observatoire de la côte d'azur, le CNES, et le CNRS, avec l'appui de certains partenaires européens.

Le projet Pharao

Naturellement, elle permettent de mesurer le temps international. Les résultats de l'observation du fonctionnement de presque deux cents horloges atomiques réparties dans un grand nombre de pays, principalement des horloges à césium, mais aussi à hydrogène et à ion mercure, sont centralisés au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres, en France. Ses mesures sont synchronisées à l'aide des satellites GPS. Une échelle de temps aussi uniforme que possible est ainsi établie. Celle-ci est contrôlée au moyen des informations issues de sa comparaison avec la marche des étalons primaires à jet de césium. L'échelle de temps atomique international (T.A.I.) est ainsi obtenue. Son intervalle unitaire est en accord avec la définition de la seconde. Les mesures de temps à des fins scientifiques et techniques se réfèrent, finalement, à l'échelle de temps atomique international. La définition légale du temps lui est également reliée par l'intermédiaire du temps universel coordonné (U.T.C., Universal Time Coordinated). Les chercheurs français utilisent également le TAF (Temps Atomique Français) obtenu à partir des mesures d'horloges atomique dans différentes villes de France (cf Annexe).

Outre les horloges parlantes qui offrent une exactitude de 50 ms, certains émetteurs de radiodiffusion diffusent des signaux horaires de temps légal, notamment France Inter avec une exactitude de 1ms. L'échelle nationale de temps est également accessible à partir d'un GPS en mode vue commune, c'est à dire en faisant un suivit journalier de satellite, avec une exactitude de 10 ns.

Afin d'améliorer le TAI, le CNES et plusieurs laboratoires européens ont propposé à l'agence spatiale européenne de regrouper en un ensemble unique les meilleurs horloges atomiques au monde dans le cadre du projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) qui serait embarqué à bord de la station spatiale internationale Alpha pour la période d'utilisation 2002-2003. Le transfert de temps s'effectuerait par lien laser. Des impulsions lasers sont émises au sol à partir d'un télescope pointé vers la station, où l'instant d'arrivée est daté. Le faisceau est alors réfléchi et l'instant d'arrivée au sol est daté. La comparaison des trois instants permet de mesurer les décallage entre les différentes horloges au sol et embarquées dans la station.

Cependant des progrès sont encore nécessaire. En effet, pour l'instant, il n'est par exemple pas possible d'étudier précisément les quasars, dont les fréquences propres sont plus stable que celle des meilleures horloges atomiques.

2- Des horloges de plus en plus performantes

2.1.- Des horloges solaires aux horloges mécaniques

Les tous premiers monuments de mesures du temps furent sans doute des édifices religieux, tels ceux de Newgrange (3100 av.J.-C.) en Irlande, ou de Stonehenge(2400-1700 av.J.-C) en Grande Bretagne. Le mouvement d'une étoile ou la longueur d'une ombre portée permettaient de lire le temps, ou plutôt de déterminer le retour d'un événement périodique lié aux saisons. Les astres, et plus particulièrement le Soleil et la Lune, sont sacrés, ainsi que les mesures découlant de leur observation ; ses dernières sont réservées au prêtres et au souverains. La nuit, c'est l'observation des étoiles qui replace celle du Soleil. Ainsi les Babyloniens, qui était capable de repérer les positions relatives des astres dans le ciel et leur déplacement d'est en ouest, en déduisait l'heure, la date, et les moments propices à certaines actions.

2.1.1.- La mesure du temps avec le Soleil

Mais le premier instrument connu de la mesure du temps est le gnomon, véritable ancêtre du cadran solaire (on a trouvé un gnomon égyptien datant du XIVe s. av. J.-C.). Il s'agit d'un piquet (style) planté verticalement dans le sol. L'heure est donné par l'ombre portée du Soleil, dont la direction change au cours de la journée du fait du mouvement apparent du Soleil. Il offre une mesure très approximative. La division de la surface plane sur laquelle se projette l'ombre permet une imprécision moindre. Mais des problèmes se posent. En effet, suivant la saison, la hauteur du Soleil sur l'horizon et l'ombre n'est pas la même à la même heure de la journée par exemple.

Le Soleil semble décrire, à vitesse constante, une trajectoire courbe appartenant à la moitié d'une sphère ayant pour centre le lieu d'observation. Un modèle correct de ce type d'horloge naturelle est constitué d'une demi-sphère creuse, qui aurait une ouverture dirigée vers le Zénith, et d'une petite boule symbolisant le Soleil placée au centre de l'ouverture ; l'ombre de la boule se déplace, comme le Soleil, à vitesse constante, et des graduations équidistantes portées sur la surface sphérique indiquent les périodes de temps égales. Ce sont les Romains qui construisirent de tels cadrans solaires, avec une boule placée à l'extrémité d'une tige verticale ou horizontale ; ils comportaient 12 graduations qui correspondaient à une journée ensoleillée, dont la durée varie au cours de l'année. Un tel dispositif peut encore être améliorer. Il suffit d'incliner le plan du grand cercle de l'ouverture d'un angle égale à la latitude du lieu et de diriger le style vers l'étoile polaire. L'ombre portée de cette tige parcours alors des la surface sphérique selon un mouvement uniforme quelque soit le jour de l'année. D'autre part, on peut également inclinée la tige d'un angle égale à la latitude du lieu. On peut ainsi simplifier le dispositif, et ne conserver de la demi-sphère que le cercle équatorial, on obtient alors un cadran équatorial ou équinoxial.

2.1.2.- Les clepsydres

Mais le Soleil n'est pas le seul élément naturel à avoir été utilisé pour mesurer le temps. On eut également recours à l'eau pour fabriquer des clepsydres. Ce dispositif est sans doute très ancien. La plus vieille découverte à ce jour est conservée au musée du Caire ; elle a été fabriquée pour Aménophis III vers 1500 av. J.-C.. Leur principe est extrêmement simple : un vase comportant un orifice d'écoulement est rempli d'eau, et le temps écoulé est déduit de la quantité d'eau recueillie. Mais, la mesure reste très approximative. En effet, le débit de l'eau dépend de la pression au niveau de l'orifice et donc de la hauteur d'eau dans la clepsydre, et varie au cours du temps. Longtemps, on chercha à améliorer les clepsydres, et elles furent utilisées en France jusqu'au XVIIe s. Quant au sablier, dont le principe est similaire, il n'apparaît que beaucoup plus tardivement, vers le XIVe s. L'association de plusieurs sabliers mesurant des intervalles de temps différents permettait d'obtenir une précision correcte.

Durant des siècles, la mesure du temps se limita à ses instruments. Au cours du moyenne âge, il sera également rythmé par les cloches des couvents, puis par les beffrois.

2.2.- La naissance de l'horlogerie

C'est en 996 que le moine Gerbert d'Aurillac, futur pape Sylvestre II, aurait inventé l'horloge à poids, à moins que ce ne soit Guillaume de Hirschau en 1091, à Cluny, ou encore d'anonymes Italiens au XIVe s. Par contre, il est certain que les premières tentatives d'horloges mécaniques, constituées d'une corde enroulée autour d'un tambour et lesté d'un objet pesant, ne donnèrent pas de résultats probants. En effet, un problème de taille se posait : le poids devait avoir une vitesse croissante.

2.2.1.- Le foliot

Il fallait associer au simple treuil des premières horloges un dispositif régulateur du mouvement, l'échappement. Ce n'est qu'au début du XIVe s. qu'apparaîtra le premier régulateur, le foliot, dont l'histoire de la mise au point est encore totalement inconnue. Il s'agit d'arrêter le mouvement du mécanisme pendant un laps de temps très court et à intervalles réguliers, de sorte que sa vitesse moyenne soit suffisamment ralentie, et surtout constante. Dans ce type d'horloge, le foliot est lancé à droite et à gauche par une roue dentée, la roue de rencontre &emdash; entraînée par un poids &emdash;, qui agit sur deux palettes portées par l'axe du système, la verge. Lorsqu'une de ses palettes, est en appuie contre une dent de la roue de rencontre, elle arrête son mouvement ainsi que celui de l'ensemble du mécanisme, mais elle est repoussée par la dent en sens inverse, qui est alors libérée ; à son tour l'autre palette entre en contact avec une dent diamétralement opposée et immobilise la roue. Le processus, qui se répète ainsi, régulé par le mouvement de rotation alternatif de la verge et du foliot, dépend des frottements de l'axe dans ses pivots et de l'inertie du foliot. Des masselottes, ou régules, peuvent être déplacées aux extrémités de ce dernier afin d'ajuster le mouvement de l'ensemble. Bien que le dispositif agisse plutôt comme un ralentisseur de la chute du poids que comme un régulateur, il est néanmoins révolutionnaire : c'est le premier mécanisme d'échappement de l'histoire de l'horlogerie. Ce type d'horloge reste encore imprécis.

Les premières horloges doivent être surveillées en permanence par des "horlogeurs", chargé de remonter le poids, de chauffer l'huile en hiver, et de les remettre à l'heure à l'aide de cadrans solaires et de clepsydres. A cette époque le cadran ne possède encore qu'une seule aiguille, mais cela est déjà suffisant étant donné la précision de ces instruments. L'aiguilles des minutes n'apparaîtra qu'à la fin du XVII^e s.

2.2.2.- Des horloges de plus en plus précise

Peu à peu l'horlogerie prend son essor. C'est en 1480, que l'on parvient à construire des horloges utilisant un ressort à la place du poids, ressort qui fournira l'énergie motrice du mouvement. Cela nécessite encore une technique de pointe en matière de métallurgie et pose des difficultés pour maintenir le couple exercé par le ressort constant. La solution à ce problème sera trouvée en associant, à l'aide d'une corde ou d'une chaînette, le tambour contenant le ressort à un un arbre dont le diamètre est croissant. On obtient des montres moins encombrantes et qui nécessitent moins d'entretiens. On les nommera montres. Mais leur précision reste approximative.

En 1675, Christiaan Huygens, imagina d'utiliser une roue lisse dont l'axe est relié à un ressort enroulé en spirale. Si on donne une impulsion à cette roue, elle va tendre le ressort, qui ensuite va la ramener en sens inverse en dépassant sa position initiale, puis, ayant emmagasiné de l'énergie, fait à nouveau tourner la roue dans le sens initial. Il suffit alors d'entretenir le mouvement de ce balancier spirale. L'avantage est que les dispositifs qui en sont équipés fonctionnent dans toutes les positions, et l'encombrement est extrêmement réduit.

Le progrès majeurs survient au milieu du XVIIe s. avec l'invention du pendule. Il est l'Ïuvre de deux physicien travaillant indépendamment l'un de l'autre : Galilée, qui établit les lois du mouvement du pendule en 1638, et Christiaan Huygens, qui, à La Haye en 1657, décrivit une telle horloge. La précision passe alors d'une heure avec le foliot à quelques minutes par jour. Puis Thomas Tompion imagine l'échappement à ancre à recul, utilisé pour la première fois en 1671. Il permet enfin de fabriquer des horloges donna l'heure à la minute.

Ce type d'ancre présente cependant un inconvénient : le recul tend à perturber tend à perturber quelque peu la période du pendule. Ce problème sera résolu en 1715, avec la mise au point de l'échappement à repos par l'horloger anglais Georges Graham, dispositif perfectionné en 1759 par Thomas Mudge. Dans ce cas la roue d'échappement est seulement immobilisée ; sans recul, ce système réduit considérablement le frottement et l'usure. Grâce à l'emploi de pivot en rubis et de palettes d'échappement en diamant, la précision atteindra à la fin du siècle 5 secondes par an. Le XVII^e s. voie le début de l'industrie horlogère et un succès grandissant auprès du public.

2.3- L'explosion de l'électronique et de la précision

2.3.1.- La naissance des montres à quartz

La découverte puis la maîtrise des phénomènes électriques au cours du XIXe s. vont permettre de fabriquer des horloges, ou pendules, "électriques". Les lois de l'électromagnétisme y sont employés de diverses façon : par exemple, en tendant périodiquement le ressort d'une pendule mécanique par l'action d'un électroaimant ou en faisant agir cet électroaimant directement sur le balancier, ce qui permet de supprimer le ressort moteur. Une horloge "mère" peut ainsi envoyer des impulsion à des horloges "filles", dont les indications sont alors parfaitement synchronisées.Ainsi les aiguilles des quatre cadrans de l'horloge de la tour de la gare de Lyon, à paris, sont commandées toutes les vingt secondes par un courant électrique.

Toutefois, l'utilisation de l'électricité dans l'horlogerie domestique, prendra son essor qu'au cour des années 70, avec les montres à quartz. Le quartz est un minéral de silice à structure cristalline, qui possède une propriété particulière, la piézo-électricité. Soumis à une contrainte mécanique, les ions positifs et négatifs du cristal subissent un faible déplacement relatif, ce qui entraîne la formation d'un champ électrique dont la polarité s'inverse suivant le sens de la force exercée (ce phénomène est réversible). Ainsi, si on applique une tension électrique entre deux faces opposées d'une lame de quartz, celle-ci se déforme. En utilisant une tension alternative, le quartz se déforme à la même fréquence que celle de la variation de tension. Pour une valeur qui dépend des dimensions de la lame de quartz, on atteint la résonance. Le quartz entraîne alors l'oscillateur électrique, qui, à cette fréquence devient particulièrement stable ; il se comporte alors comme un résonateur mécanique de fréquence propre, liée à la structure atomique du quartz. L'apport d'énergie sous la forme électrique est très faible, et la précision relative atteint couramment 10^-8.

Les premières horloges à quartz apparaissent en 1930, mais ce sont des instruments imposants et coûteux. Toutefois, le bureau international de l'heure remplace ses gardes temps mécanique par des oscillateurs à quartz. Mais les travaux de miniaturisation avec la découverte de nouveaux composants, comme le transistor (1948) et les circuits intégrés (1959), vont permettre l'apparition de montres à quartz destinées au grand public en 1970. L'oscillateur à quartz produit des oscillations à 32 768 Hz, ramenée à une fréquence de 1 Hz par une succession de diviseurs de fréquence par 2. Ceci est suffisant pour un système d'affichage. Ce dernier peut être mécanique, avec des aiguilles traditionnelles se déplaçant devant un cadran, avec affichage par diodes électro-luminescentes ou cristaux liquides.

2.3.2.- Toujours plus stable et plus précis

Dans la recherche d'une meilleure stabilité, un grand pas a été franchi avec les horloges atomiques, à tel point que celles au Césium sont devenues de véritables étalons de temps, donnant lieu à une nouvelle définition de la seconde. Depuis 1967, une seconde correspond à 1/9 192 631 770 de la période d'oscillation d'un atome de césium 133.

Les horloges atomiques utilisent la très grande stabilité en fréquence des transitions atomiques, sur lesquels nous reviendrons ultérieurement. Il s'agit en fait d'un oscillateur à quartz asservi en fréquence par un résonateur au césium. Nous allons désormais étudier plus longuement ces horloges atomiques.

Les horloges atomiques : À quoi ça sert ?