Le Temps Universel Coordonné (UTC) est une convention planétaire qui a été mise en place en 1972 pour synchroniser nos horloges sur la fréquence de la seconde atomique (voir plus bas). L’ensemble de nos infrastructures humaines repose dessus : les réseaux télécoms 4G/5G, le système bancaire, les marchés financiers, les réseaux électriques intelligents, les satellites, la navigation par GPS ou la cybersécurité. Un édifice technologique colossal qui ne tient que grâce à une seule fondation : la définition physique et ultra-précise de la seconde atomique.
La définition actuelle date de 1967, année où la 13ᵉ CGPM (Conférence générale des poids et mesures) a fixé la seconde comme la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux états d’énergie de l’atome de césium 133. Quand on excite cet atome, ses électrons sautent d’un niveau d’énergie à un autre en émettant un signal micro-onde. Ce signal vibre à une fréquence d’une régularité absolue : il suffit de compter très exactement 9,19 milliards de ces « tics-tacs » quantiques pour « fabriquer » une seconde. Un choix logique à l’époque, puisque dans les années 1960, les meilleurs horloges étaient les horloges à césium, qui surpassaient de très loin horloges à quartz et les mesures astronomiques fondées sur la rotation de la Terre, un métronome trop capricieux.
Mais depuis les années 2000, les physiciens ont mis au point des horloges optiques, encore plus précises, qui ne perdent qu’une seconde sur le temps atomique en 15 milliards d’années, contre une seconde en 150 millions d’années pour les horloges à césium. C’est pourquoi Aussi, la CGPM se réunira du 13 au 15 octobre 2026 au Palais des congrès de Versailles, pour soumettre au vote de ses États membres plusieurs résolutions. Parmi elles, figure un texte décifi : la validation d’une feuille de route vers l’adoption, lors de la 29ᵉ CGPM en 2030, d’une nouvelle définition de la seconde, fondée non plus sur les micro-ondes du césium 133, mais sur les fréquences optiques d’horloges atomiques d’une précision cent fois supérieure.
Le métronome parfait de l’Univers
Une horloge atomique ne ressemble en rien à celle qui est posée sur votre commode, ou à la montre enroulée autour de votre poignet. Généralement, elle prend la forme d’une complexe et imposante machine faite de baies électroniques, de lasers et de tuyaux sous vide. Pour mesurer le temps, elle exploite une propriété immuable de la matière : les fréquences d’absorption et d’émission de lumière par les atomes lorsqu’ils changent d’état d’énergie. Ces dernières sont des constantes de la nature, identiques pour chaque atome d’une même espèce, où que l’on se trouve dans l’univers ; en les comptant, on obtient un battement d’une régularité que rien ne peut altérer.
On ne les trouve que dans quelques laboratoires nationaux de métrologie comme le NIST à Boulder, dans le Colorado, le PTB à Braunschweig en Allemagne, le LNE-SYRTE dans l’enceinte de l’Observatoire de Paris, ou encore le NPL à Teddington au Royaume-Uni. Elles existent également en versions commerciales et sont utilisées par les entreprises ou organisations qui nécessitent une synchronisation temporelle ultra-précise : data centers, pylônes 4G/5G, banques ou places financières comme Wall Street.
Comme expliqué précédemment, elles fonctionnent depuis près de 60 ans grâce aux oscillations du césium-133, tout comme les horloges optiques, mais qui, elles, reprennent le même principe avec des atomes comme le strontium 87 ou l’ytterbium 171, dans le spectre de la lumière visible, où les fréquences d’oscillations sont cent mille fois plus élevées.
Ainsi, cela revient à découper la seconde en un nombre de « tranches » et de « battements » incomparablement plus élévé. On peut établir le parallèle suivant : vous pouvez visionner la même image sur un vieux téléviseur cathodique et un écran 4K, elle ne changera pas, mais le nombre de pixels du second la restitue avec une netteté d’un tout autre ordre.
Voici ce qui explique la différence evoquée en introduction entre les horloges optiques et les horloges à césium : une horloge à césium « découpe » chaque seconde en 9,2 milliards de tranches ; une horloge optique au strontium 87 ou à l’ytterbium 171, qui fonctionne dans le spectre visible, la découpe en plusieurs centaines de milliers de milliards de tranches. Avec cent mille fois plus de graduations disponibles, chaque graduation représente un intervalle de temps proportionnellement plus court, et la capacité de l’horloge à repérer une dérive, aussi infime soit-elle, s’en trouve démultipliée.
Un effet domino sur la science de demain
Pour le moment, aucune horloge optique ne s’est encore imposée comme le successeur de celles au césium. Quand la CGPM a adopté ce dernier en 1967, il n’avait aucun concurrent sérieux ; aujourd’hui, pas moins de 28 isotopes atomiques différents sont développés dans des laboratoires du monde entier, et deux philosophies s’affrontent : fonder la nouvelle définition sur un seul atome, comme on l’a fait il y a soixante ans, ou sur une combinaison de plusieurs transitions optiques, ce qui n’a jamais été tenté pour une unité du SI (Système international d’unités).
En janvier 2024, une feuille de route publiée dans la revue Metrologia par un groupe de travail du CCTF, coordonné par Noël Dimarcq, a posé les conditions non négociables de ce changement. Huit critères obligatoires ont été fixés avant que toute redéfinition officielle de la seconde ne puisse être validée. Si on ne les listera pas tous ici, on en retiendra trois, qui illustrent parfaitement la difficulté de la tâche.
Le premier exige que les horloges optiques de différents continents soient comparées entre elles et tombent d’accord à un niveau de précision de 10⁻¹⁸. Autrement dit, qu’un laboratoire à Boulder et un autre à Paris produisent des résultats indiscernables à une erreur près d’une seconde en 30 milliards d’années.
Le deuxième impose d’elles qu’elles contribuent régulièrement au Temps atomique international (TAI), le « pouls » mondial établi en combinant les mesures de plus de 400 horloges dans le monde. Une marche encore trop haute : ces instruments de pointe demeurent des prototypes d’exception, pas encore prêts à fonctionner en continu sans intervention humaine.
Le troisième est dicté par la relativité générale d’Einstein : le temps ne s’écoulant pas à la même vitesse selon l’altitude, et à une précision de 10⁻¹⁸, un écart de quelques centimètres entre deux horloges suffit à biaiser la comparaison, ce qui oblige les métrologistes à déterminer l’altitude de leurs laboratoires (ou plutôt leur potentiel gravitationnel local) à un centimètre près.
Sans cette cartographie de la Terre, comparer deux horloges optiques à distance revient à comparer… des choux et des carottes. À ce jour, aucun de ces critères n’est intégralement rempli, et les auteurs de l’étude de 2024 reconnaissaient eux-mêmes qu’une redéfinition en 2026 était déjà hors de portée. Pour le moment, l’horizon privilégié reste 2030, avec un report à 2034 si les obstacles techniques persistent.
Qu’est-ce que cela changera pour nous au quotidien ? Absolument rien en réalité : nous ne percevrons aucun changement, une seconde continuera de s’écouler comme une seconde. Dans ce cas, pourquoi une telle prise de tête ? Parce que les horloges optiques, nettement plus sensibles, amélioreront la navigation GPS, nous aideront à mieux surveiller notre environnement (état des nappes phréatiques, zones volcaniques, montée des océans, déformation de la croûte terrestre avant un séisme), et affineront nos instruments astrophysiques pour mieux imager les trous noirs, et peut-être même toucher le Graal ultime : la détection de la matière noire. Chaque fois que nous avons progressé dans notre mesure du temps, nous avons fini, tôt ou tard, par pousser plus loin les portes de la physique, et en conséquence, de susciter un élan de découvertes majeures dans d’autres disciplines. Il n’y a donc aucune raison que les horloges optiques fassent exception à cette règle.
- La définition de la seconde, basée sur le césium-133 depuis 1967, pourrait être redéfinie d’ici 2030 grâce à des horloges optiques plus précises.
- Les horloges optiques, qui mesurent le temps avec une précision cent fois supérieure, pourraient transformer des domaines comme la navigation GPS et la surveillance environnementale.
- La redéfinition vise à améliorer la métrologie mondiale, sans impact immédiat sur notre perception du temps au quotidien.
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