Les horloges atomiques et les mesures de l espace-temps

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1 Association VEGA, Plaisir, 25 novembre 2017 Les horloges atomiques et les mesures de l espace-temps Noël DIMARCQ SYRTE Systèmes de Référence Temps-Espace 1

2 Le temps omniprésent Si personne ne me pose la question, je le sais Mouvement ; si quelqu'un pose Irréversibilité la question et que Relativité je veuille l expliquer, je ne sais plus.» Physique Philosophie «Qu est ce que le temps» Biologie Médecine Société TEMPS Economie Arts & littérature Ô temps! suspends ton vol, et vous, heures propices! Suspendez votre cours : Laissez-nous savourer les rapides délices 2 Des plus beaux de nos jours!

3 Plan de la présentation Ecoulements et astronomie Oscillateurs et horloges atomiques Quelques applications Mesures de l espace-temps 3

4 Plan de la présentation Ecoulements et astronomie Oscillateurs et horloges atomiques Quelques applications Mesures de l espace-temps 4

5 Mesurer le temps avec un phénomène «linéaire» Ecoulements : clepsydres sabliers Combustion : bougies Lampe à huile Rotation : angle de rotation de la Terre 5

6 Mesurer le temps avec la rotation de la Terre Gnomons et cadrans solaires Mesure du Temps = Connaissance de l angle de rotation de la Terre par rapport à des étoiles «fixes» 6

7 Irrégularités de la rotation de la Terre Jour sidéral : durée mise par la Terre pour effectuer un tour sur elle-même (par rapport aux étoiles) 23 h 56 min 04 s = s «Jour» solaire («temps solaire vrai») : durée pour retrouver le soleil suivant le même méridien «Temps solaire moyen» : durée moyenne du jour solaire en supposant que le soleil se «déplace» à vitesse constante (on néglige l inclinaison de l axe de rotation de la Terre et l ellipticité de son orbite) 24 h = s 7

8 Irrégularités de la rotation de la Terre Secondes intercalaires la Terre n a pas une rotation régulière (dissipation par les marées, effets atmosphériques, hydrologiques, ) Dérive de la seconde définie à partir de la rotation de la Terre 8

9 Irrégularités de la rotation de la Terre Secondes intercalaires 9

10 Echelles de temps astronomiques Jusqu en 1956, la seconde était la fraction 1/ du jour solaire moyen (le temps universel TU) De 1956 à 1967, la seconde était la fraction 1/ ,974 7 de l année tropique 1900 (le temps des éphémérides TE); «Astronomie» Année tropique = 365,2422 jours solaires = 366,2422 jours sidéraux 10

11 Plan de la présentation Ecoulements et astronomie Oscillateurs et horloges atomiques Quelques applications Mesures de l espace-temps 11

12 Mesurer le temps avec un oscillateur Oscillateur = Système dont une caractéristique se reproduit périodiquement 12

13 Mesurer une longueur avec une règle On compte le nombre de graduations 13

14 Mesurer le temps avec un oscillateur On mesure une durée en comptant le nombre de périodes d oscillation Signal physique T t Comptage t 14

15 Mesurer une longueur avec une règle Importance de la finesse des graduations 15

16 Importance de la fréquence d oscillation Intérêt d avoir t une grande fréquence t n [Hz] Oscillateur mécanique quartz micro-onde laser 16

17 Quelle confiance dans la mesure? Importance de la confiance (stabilité, exactitude) dans les graduations L L L L La qualité de la mesure d une longueur dépend de la qualité de la graduation de la règle! 17

18 Quelle confiance dans la mesure? temps Dt Dt Dt temps Dt La qualité de la mesure d une durée dépend de la qualité de la fréquence («graduation temporelle») 18

19 Imperfections des oscillateurs PROBLEME : La fréquence d un oscillateur dépend de sa géométrie, de ses dimensions, de l environnement, de l usure, 19

20 Exemple du pendule pesant Fréquence du pendule n 1 2 g l défaut d isochronisme (amélioration par Huygens : pendule cycloïdal) sensibilité à g 9.83 m.s -2 aux pôles ; 9.78 m.s -2 à l'équateur + variations locales + effets des marées : g sensibilité à la pression horloges à pression constante sensibilité à la température (avec une tige en acier, une horloge retarde de 0,5 seconde par jour quand la température augmente de 1 C) associations de métaux de dilatations opposées utilisation de l invar (horloges astronomiques) 20

21 Exemple du pendule pesant «En 1672, M. Richer étant allé à l'isle de Cayenne, environ à 5d de l'équateur, pour y faire des observations astronomiques, trouva que son horloge à pendule qu'il avoit reglée à Paris, retardoit de 2' 28''par jour» 21

22 Exemple du pendule pesant 22

23 Imperfections des oscillateurs PROBLEME : La fréquence d un oscillateur dépend de sa géométrie, de ses dimensions, de l environnement, de l usure, SOLUTION : Stabiliser la fréquence de l oscillateur sur une référence absolue : l ATOME 23

24 Physique classique / physique quantique Physique classique Physique quantique Energie Energie 24

25 Physique quantique et fréquences de résonance Energie E 2 E 2 -E 1 =h.f 0 E 1 f 0 : fréquence de résonance atomique 25

26 Principe de fonctionnement d une horloge atomique correction OSCILLATEUR f Fréquence f : Instable Stable ASSERVISSEMENT Inexacte Exacte REFERENCE ATOMIQUE f 0 E 2 f E 1 f 0 f h f 0 = E 2 E 1 26

27 Performances La grande famille des horloges atomiques Horloges commerciales : industrie, laboratoires, GNSS, Horloges de laboratoire : Métrologie et physique fondatementales Horloges miniatures : Industrie, récepteurs GPS/GALILEO Volume 1 cm 3 1 dm 3 1 m 3 27

28 Le temps devient officiellement atomique en 1967 Qualités : Uniforme (stable), Reproductible, Universelle Jusqu en 1956, la seconde était la fraction 1/ du jour solaire moyen (le temps universel TU) De 1956 à 1967, la seconde était la fraction 1/ ,974 7 de l année tropique 1900 (le temps des éphémérides TE); «Astronomie» Depuis 1967, la seconde est la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l état fondamental de l atome de césium 133 (le temps atomique TAI) «Physique atomique» 28

29 Les fontaines à atomes de césium refroidis par laser Atomes (très) froids : Température ~ 1µK Incertitude : * sur la fréquence : Df/f égale à = connaissance de la valeur de la fréquence avec 16 chiffres! * sur le temps : erreur de 0, seconde en un jour = dérive de 1 seconde en 300 millions d années! 29

30 au-delà des fontaines à atomes froids L Espace: PHARAO : horloge à atomes froids sur ISS 30

31 au-delà des fontaines à atomes froids Les horloges optiques : battements par seconde ( fois plus grande que pour les horloges à césium)! Dérivent d une seconde au bout de 10 milliards d années 31 A. Willaume/Observatoire de Paris

32

33 Avancées scientifiques, technologiques et théoriques Gnomons, cadrans solaires Clepsydres (eau, sables) Combustion (bougie, hauteur d huile) antiquité Horloge mécanique Horloges à quartz Piézoélectricité Horloges atomiques Moyen-âge XXème siècle Principe de relativité de Galilée le temps reste absolu (Newton) Principe de relativité du temps (Einstein) 33

34 Plan de la présentation Ecoulements et astronomie Oscillateurs et horloges atomiques Quelques applications Mesures de l espace-temps 34

35 Métrologie fondamentale et appliquée (Re)définition des unités Construction d échelles de temps En France : 1891 : Unification de l heure Méridien de Paris 1911 : Méridien de Greenwich (GMT) 1978 : Temps atomique UTC 35

36 Echelles de temps atomiques internationales 10 ns 36

37 Diffusion du temps Horloge parlante 37

38 L horloge parlante Incertitude dans la synchronisation ~ 50 ms

39 Diffusion du temps Ondes radio Horloge parlante 39

40 Diffusion des échelles de temps atomique Horloge parlante Ondes radio Internet (NTP) Satellites Lien laser fibré Précision : 1-50 ms 1 ns < 100 ps 40

41 Autres applications en synchronisation et datation - Datation / synchronisation : transports, transactions bancaires, réseaux de télécommunications, distribution d énergie, - Interférométrie à très longue base (VLBI) - Suivi des sondes dans le système solaire par le Deep Space Network (DSN) - Datation des pulsars 41

42 Mesures de l espace-temps : distances Mesure de durée = mesure de distance ( d = c. Dt ) - Télémétrie ( 1 ns = 10-9 s 30 cm ) - Télémétrie Laser-Lune ou laser-satellite pour l orbitographie, mesure de la distance Terre-Lune, tests de physique fondamentale, orientation de la Terre, ) - RADAR & LIDAR,. 42

43 Positionnement par satellites Positionnement par satellites (GPS, GALILEO, GLONASS, BEIDOU, ) Horloge Rb Maser passif à hydrogène 43

44 Positionnement par satellites Nombreuses applications : positionnement, navigation, atterrissage des avions, géophysique, 44

45 Application du GPS aux géosciences Déplacement plaques continentales Séisme de Sendai Japon, mars

46 La relativité du temps Relativité restreinte La vitesse de la lumière est une constante d = c. Dt constante Relativité du temps 2 horloges identiques en mouvement relatif mesurent des durées différentes 46

47 La relativité du temps Relativité restreinte La vitesse de la lumière est une constante d = c. Dt constante Relativité du temps 2 horloges identiques en mouvement relatif mesurent des durées différentes 47

48 La relativité du temps Relativité générale 48

49 Le système GPS et la relativité corrigés non corrigés Effets relativistes Après 1 jour, erreurs dues aux effets relativistes ~ 40 µs correspondant à 12 km d erreur de positionnement! 49

50 Tests des lois fondamentales de la physique Tests de la théorie de la relativité : - La vitesse de la lumière est-elle constante / isotrope? - Les constantes fondamentales sont-elles constantes? - La relativité décrit-elle bien les effets gravitationnels affectant le temps? f 1 Dt f v G. M 2 c 2 c 2 1 r2 Dt 0 1 r1? c constante?? Mesures de fréquences d horloges dans différents référentiels spatio-temporels : différentes positions et/ou différents instants 50

51 Avancées scientifiques, technologiques et théoriques Résonance hertizienne & pompage optique A. Kastler Nobel Prize 1966 Contrôle et mesure d états quantiques S. Haroche, D. Wineland Nobel Prize Separated oscillatory fields method N.F. Ramsey Pièges à ions H.G. Dehmelt, W.Paul Nobel Prize 1987 Spectroscopie laser de précision et peignes de fréquences fs J. Hall and T. Hänsch Nobel Prize Refroidissement et piégeage par laser S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips Nobel Prize 1997 Condensation de Bose-Einstein E. Cornell, C. Wieman, W. Ketterle Nobel Prize nk 400 nk 200 nk 51

52 Michal Batory Merci pour votre attention 52

53 Atomes froids, interférométrie atomique et mesures de précision La révolution du refroidissement d atomes par laser : - amélioration de la précision des horloges atomiques - exploration d un nouvel état de la matière les atomes sont des corpuscules mais aussi des ondes Les horloges atomiques sont des «interféromètres atomiques» Nouvelle génération d instruments de mesures de précision (temps, accélération, rotation, gravité, ) 53

54 Le refroidissement laser Absorption d un photon : E, p V laser V p/m atome E Emission d un photon spontané : V Dv E Force radiative 54

55 Une force radiative très efficace Force a Changement de vitesse Temps pour changer la vitesse 3 mm/s pour Cs 30 ns pour Cs Décéleration énorme : fois l accélération de la pesanteur! mv kt Température : 300 K 1 mk = 0, K = 1 millionième de degré du zéro absolu! Nouvel état de la matière : atomes froids «figés» par la lumière ( caractère ondulatoire de la matière) 55

56 Radio-pilotage par ondes hertziennes Emetteur d Allouis (Cher) 162 khz (France Inter), 1 MW Emetteur de Mainflingen (Allemagne) 77 khz (DCF 77), 50 kw 56

57 Bruits des détecteurs d ondes gravitationnelles Sensibilité / Bruits instrumentaux 57

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