L'année dernière, 2012, a marqué le quarante-cinqième anniversaire de la décision de l'humanité d'utiliser l'horloge atomique pour mesurer le temps aussi précisément que possible. En 1967, la catégorie de temps internationale a cessé d'être déterminée par des échelles astronomiques - elles ont été remplacées par l'étalon de fréquence au césium. C'est lui qui a reçu le nom désormais populaire d'horloge atomique. L'heure exacte qu'ils permettent de déterminer comporte une erreur insignifiante d'une seconde toutes les trois millions d'années, ce qui leur permet d'être utilisés comme étalon de temps dans n'importe quel coin du monde.
Un peu d'histoire
L'idée même d'utiliser les vibrations atomiques pour une mesure ultra-précise du temps a été exprimée pour la première fois en 1879 par le physicien britannique William Thomson. Ce scientifique a proposé d'utiliser l'hydrogène comme émetteur d'atomes résonateurs. Les premières tentatives pour mettre l’idée en pratique n’ont eu lieu que dans les années 40. vingtième siècle. La première horloge atomique fonctionnelle au monde est apparue en 1955 en Grande-Bretagne. Leur créateur était le physicien expérimental britannique Dr Louis Essen. Ces horloges fonctionnaient sur la base des vibrations des atomes de césium 133 et grâce à elles, les scientifiques ont enfin pu mesurer le temps avec une bien plus grande précision qu'auparavant. Le premier appareil d'Essen permettait une erreur de pas plus d'une seconde tous les cent ans, mais par la suite, elle a augmenté plusieurs fois et l'erreur par seconde ne peut s'accumuler qu'en 2 à 3 centaines de millions d'années.
Horloge atomique : principe de fonctionnement
Comment fonctionne ce « dispositif » astucieux ? Les horloges atomiques utilisent des molécules ou des atomes au niveau quantique comme générateur de fréquence de résonance. établit une connexion entre le système « noyau atomique – électrons » et plusieurs niveaux d’énergie discrets. Si un tel système est influencé avec une fréquence strictement spécifiée, alors une transition de ce système d'un niveau bas à un niveau haut se produira. Le processus inverse est également possible : le passage d'un atome d'un niveau supérieur à un niveau inférieur, accompagné de l'émission d'énergie. Ces phénomènes peuvent être contrôlés et tous les sauts d'énergie peuvent être enregistrés en créant quelque chose comme un circuit oscillatoire (également appelé oscillateur atomique). Sa fréquence de résonance correspondra à la différence d'énergie entre niveaux de transition atomiques voisins, divisée par la constante de Planck.
Un tel circuit oscillatoire présente des avantages indéniables par rapport à ses prédécesseurs mécaniques et astronomiques. Pour un tel oscillateur atomique, la fréquence de résonance des atomes de n'importe quelle substance sera la même, ce qui ne peut pas être dit des pendules et des piézocristaux. De plus, les atomes ne changent pas leurs propriétés avec le temps et ne s’usent pas. Les horloges atomiques sont donc des chronomètres extrêmement précis et pratiquement perpétuels.
Heure précise et technologies modernes
Les réseaux de télécommunications, les communications par satellite, le GPS, les serveurs NTP, les transactions électroniques en bourse, les enchères sur Internet, la procédure d'achat de billets via Internet - tous ces phénomènes et bien d'autres sont depuis longtemps fermement ancrés dans nos vies. Mais si l’humanité n’avait pas inventé l’horloge atomique, tout cela ne serait tout simplement pas arrivé. L'heure exacte, avec laquelle la synchronisation permet de minimiser les erreurs, les retards et les retards, permet à une personne de tirer le meilleur parti de cette ressource irremplaçable et inestimable, dont il n'y a jamais trop.
Nous entendons souvent dire que les horloges atomiques indiquent toujours l’heure exacte. Mais d’après leur nom, il est difficile de comprendre pourquoi les horloges atomiques sont les plus précises ni comment elles fonctionnent.
Ce n’est pas parce que le nom contient le mot « atomique » que la montre présente un danger de mort, même si l’on pense immédiatement à une bombe atomique ou à une centrale nucléaire. Dans ce cas, nous parlons simplement du principe de fonctionnement de la montre. Si dans une montre mécanique ordinaire, les mouvements oscillatoires sont effectués par des engrenages et que leurs mouvements sont comptés, alors dans une horloge atomique, les oscillations des électrons à l'intérieur des atomes sont comptées. Pour mieux comprendre le principe de fonctionnement, rappelons la physique des particules élémentaires.
Toutes les substances de notre monde sont constituées d’atomes. Les atomes sont constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Les protons et les neutrons se combinent pour former un noyau, également appelé nucléon. Les électrons se déplacent autour du noyau, qui peut se trouver à différents niveaux d'énergie. La chose la plus intéressante est que lorsqu’il absorbe ou libère de l’énergie, un électron peut passer de son niveau d’énergie à un niveau supérieur ou inférieur. Un électron peut obtenir de l'énergie à partir d'un rayonnement électromagnétique, absorbant ou émettant un rayonnement électromagnétique d'une certaine fréquence à chaque transition.
Le plus souvent, il existe des montres dans lesquelles des atomes de l'élément Césium -133 sont utilisés pour le changement. Si en 1 seconde le pendule montre régulière fait 1 mouvement oscillatoire, puis les électrons dans les horloges atomiquesà base de césium 133, lors du passage d'un niveau d'énergie à un autre, ils émettent un rayonnement électromagnétique d'une fréquence de 9192631770 Hz. Il s'avère qu'une seconde est divisée exactement en ce nombre d'intervalles si elle est calculée en horloges atomiques. Cette valeur a été officiellement adoptée par la communauté internationale en 1967. Imaginez un immense cadran avec non pas 60, mais 9192631770 divisions, qui ne représentent qu'une seconde. Il n'est pas surprenant que les horloges atomiques soient si précises et présentent de nombreux avantages : les atomes ne sont pas sujets au vieillissement, ne s'usent pas et la fréquence d'oscillation sera toujours la même pour un élément chimique, grâce à laquelle il est possible de comparer de manière synchrone, par exemple, les lectures d'horloges atomiques loin dans l'espace et sur Terre, sans crainte d'erreurs.
Grâce aux horloges atomiques, l'humanité a pu tester en pratique l'exactitude de la théorie de la relativité et s'assurer qu'elle est meilleure que sur Terre. Les horloges atomiques sont installées sur de nombreux satellites et engins spatiaux ; elles sont utilisées pour les besoins de télécommunications, pour les communications mobiles, et elles servent à comparer l'heure exacte sur la planète entière. Sans exagération, c’est grâce à l’invention des horloges atomiques que l’humanité a pu entrer dans l’ère de la haute technologie.
Comment fonctionnent les horloges atomiques ?
Le césium 133 est chauffé par évaporation d'atomes de césium, qui passent à travers un champ magnétique, où les atomes ayant les états énergétiques souhaités sont sélectionnés.
Les atomes sélectionnés traversent ensuite un champ magnétique d'une fréquence proche de 9192631770 Hz, créé par un oscillateur à quartz. Sous l’influence du champ, les atomes de césium changent à nouveau d’état énergétique et tombent sur un détecteur qui enregistre le moment où le plus grand nombre d’atomes entrants auront l’état énergétique « correct ». Le nombre maximum d'atomes avec un état énergétique modifié indique que la fréquence du champ micro-ondes est sélectionnée correctement, puis sa valeur est introduite dans un appareil électronique - un diviseur de fréquence qui, réduisant la fréquence d'un nombre entier de fois, reçoit le chiffre 1, qui est la seconde de référence.
Ainsi, les atomes de césium sont utilisés pour vérifier la fréquence correcte du champ magnétique produit par l'oscillateur à cristal, aidant ainsi à le maintenir à une valeur constante.
C'est intéressant : Même si les horloges atomiques actuelles sont d’une précision sans précédent et peuvent fonctionner pendant des millions d’années sans erreurs, les physiciens ne vont pas s’arrêter là. En utilisant des atomes de divers éléments chimiques, ils travaillent constamment à améliorer la précision des horloges atomiques. Parmi les dernières inventions figure l'horloge atomique strontium, qui sont trois fois plus précis que leur homologue au césium. Pour être à la traîne d’une seconde, il leur faudra 15 milliards d’années – un temps dépassant l’âge de notre Univers…
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Isidor Rabi, professeur de physique à l'université de Columbia, a proposé un projet inédit : une horloge fonctionnant sur le principe d'un faisceau atomique de résonance magnétique. Cela s'est produit en 1945 et déjà en 1949, le Bureau national des normes a publié le premier prototype fonctionnel. Il lisait les vibrations de la molécule d'ammoniac. Le césium est entré en service bien plus tard : le modèle NBS-1 n'est apparu qu'en 1952.
Le Laboratoire National de Physique d'Angleterre a créé la première horloge à faisceau de césium en 1955. Plus de dix ans plus tard, lors de la Conférence générale des poids et mesures, une horloge plus avancée a été présentée, également basée sur les vibrations de l'atome de césium. Le modèle NBS-4 a été utilisé jusqu'en 1990.
Types de montres
Il existe actuellement trois types d’horloges atomiques, qui fonctionnent à peu près selon le même principe. Les horloges au césium, les plus précises, séparent les atomes de césium par un champ magnétique. L'horloge atomique la plus simple, l'horloge au rubidium, utilise du gaz rubidium enfermé dans une ampoule en verre. Et enfin, l'horloge atomique à hydrogène prend comme point de référence des atomes d'hydrogène, enfermés dans une coque faite d'un matériau spécial - cela empêche les atomes de perdre rapidement de l'énergie.
Quelle heure est-il
En 1999, l’Institut national américain des normes et technologies (NIST) a proposé une version encore plus avancée de l’horloge atomique. Le modèle NIST-F1 autorise une erreur d’une seconde seulement tous les vingt millions d’années.
Le plus précis
Mais les physiciens du NIST ne se sont pas arrêtés là. Les scientifiques ont décidé de développer un nouveau chronomètre, cette fois basé sur des atomes de strontium. La nouvelle horloge fonctionne à 60 % du modèle précédent, ce qui signifie qu'elle perd une seconde non pas en vingt millions d'années, mais en cinq milliards.
Temps de mesure
Un accord international a déterminé la seule fréquence précise de résonance d’une particule de césium. Cela correspond à 9 192 631 770 hertz – diviser le signal de sortie par ce nombre équivaut exactement à un cycle par seconde.
Les horloges atomiques sont les instruments de mesure du temps les plus précis qui existent aujourd’hui et deviennent de plus en plus importantes à mesure que la technologie moderne se développe et devient plus complexe.
Principe de fonctionnement
Les horloges atomiques conservent une heure précise non pas grâce à la désintégration radioactive, comme leur nom l’indique, mais grâce aux vibrations des noyaux et des électrons qui les entourent. Leur fréquence est déterminée par la masse du noyau, la gravité et « l’équilibreur » électrostatique entre le noyau chargé positivement et les électrons. Cela ne correspond pas tout à fait à un mouvement de montre classique. Les horloges atomiques sont des chronomètres plus fiables car leurs oscillations ne changent pas en fonction de facteurs environnementaux tels que l’humidité, la température ou la pression.
Evolution des horloges atomiques
Au fil des années, les scientifiques ont réalisé que les atomes avaient des fréquences de résonance liées à leur capacité à absorber et à émettre un rayonnement électromagnétique. Dans les années 1930 et 1940, des équipements de communication et radar à haute fréquence ont été développés, capables d’interagir avec les fréquences de résonance des atomes et des molécules. Cela a contribué à l’idée d’une montre.
Les premiers exemplaires ont été construits en 1949 par le National Institute of Standards and Technology (NIST). L'ammoniac était utilisé comme source de vibration. Cependant, ils n’étaient pas beaucoup plus précis que l’étalon de temps existant et le césium a été utilisé dans la génération suivante.
Nouvelle norme
Le changement dans la précision de la mesure du temps était si grand qu'en 1967, la Conférence générale des poids et mesures a défini la seconde SI comme 9 192 631 770 vibrations d'un atome de césium à sa fréquence de résonance. Cela signifiait que le temps n’était plus lié au mouvement de la Terre. L'horloge atomique la plus stable au monde a été créée en 1968 et a été utilisée dans le cadre du système de chronométrage du NIST jusque dans les années 1990.
Voiture d'amélioration
L’une des dernières avancées dans ce domaine est le refroidissement laser. Cela a amélioré le rapport signal/bruit et réduit l'incertitude du signal d'horloge. Le logement de ce système de refroidissement et d'autres équipements utilisés pour améliorer les horloges au césium nécessiterait un espace de la taille d'un wagon de chemin de fer, bien que les versions commerciales puissent tenir dans une valise. L’une de ces installations de laboratoire mesure l’heure à Boulder, dans le Colorado, et constitue l’horloge la plus précise au monde. Ils n’ont tort que de 2 nanosecondes par jour, soit 1 seconde tous les 1,4 million d’années.
Une technologie complexe
Cette énorme précision est le résultat d’un processus de fabrication complexe. Tout d’abord, le césium liquide est placé dans un four et chauffé jusqu’à ce qu’il se transforme en gaz. Les atomes métalliques sortent à grande vitesse par une petite ouverture dans le four. Les électroaimants les divisent en faisceaux séparés avec des énergies différentes. Le faisceau requis traverse un trou en forme de U et les atomes sont irradiés avec une énergie micro-onde d'une fréquence de 9 192 631 770 Hz. Grâce à cela, ils sont excités et passent dans un état énergétique différent. Le champ magnétique filtre ensuite les autres états énergétiques des atomes.
Le détecteur réagit au césium et affiche un maximum à la valeur de fréquence correcte. Ceci est nécessaire pour configurer l'oscillateur à quartz qui contrôle le mécanisme de l'horloge. En divisant sa fréquence par 9.192.631.770, on obtient une impulsion par seconde.
Pas seulement le césium
Bien que les horloges atomiques les plus courantes utilisent les propriétés du césium, il en existe d’autres types. Ils diffèrent par l'élément utilisé et les moyens permettant de déterminer les changements de niveau d'énergie. D'autres matériaux sont l'hydrogène et le rubidium. Les horloges atomiques à hydrogène fonctionnent de manière similaire aux horloges à césium, mais nécessitent un récipient dont les parois sont constituées d'un matériau spécial qui empêche les atomes de perdre de l'énergie trop rapidement. Les montres Rubidium sont les plus simples et les plus compactes. Dans ceux-ci, une cellule de verre remplie de gaz rubidium modifie l'absorption de la lumière lorsqu'elle est exposée à des fréquences ultra-hautes.
Qui a besoin d’une heure précise ?
Aujourd’hui, le temps peut être mesuré avec une extrême précision, mais pourquoi est-ce important ? Cela est nécessaire dans des systèmes tels que les téléphones mobiles, Internet, le GPS, les programmes aéronautiques et la télévision numérique. À première vue, cela n’est pas évident.
Un exemple de la façon dont l’heure précise est utilisée est la synchronisation des paquets. Des milliers d'appels téléphoniques transitent par la ligne de communication moyenne. Ceci n'est possible que parce que la conversation n'est pas entièrement transmise. L’entreprise de télécommunications le divise en petits paquets et ignore même certaines informations. Ils traversent ensuite la ligne avec des paquets d'autres conversations et sont restitués à l'autre extrémité sans mélange. Le système de synchronisation du central téléphonique peut déterminer quels paquets appartiennent à une conversation donnée en fonction de l'heure exacte à laquelle les informations ont été envoyées.
GPS
Une autre implémentation de l'heure précise est un système de positionnement global. Il se compose de 24 satellites qui transmettent leurs coordonnées et l'heure. N'importe quel récepteur GPS peut s'y connecter et comparer les horaires de diffusion. La différence permet à l'utilisateur de déterminer son emplacement. Si ces horloges n’étaient pas très précises, le système GPS serait peu pratique et peu fiable.
La limite de la perfection
Avec le développement de la technologie et des horloges atomiques, les inexactitudes de l’Univers sont devenues perceptibles. La Terre se déplace de manière inégale, provoquant des variations aléatoires dans la durée des années et des jours. Dans le passé, ces changements seraient passés inaperçus car les outils de mesure du temps étaient trop imprécis. Cependant, à la grande frustration des chercheurs et des scientifiques, l’heure des horloges atomiques doit être ajustée pour compenser les anomalies du monde réel. Ce sont des outils étonnants qui contribuent à faire progresser la technologie moderne, mais leur excellence est limitée par les limites fixées par la nature elle-même.
Une horloge atomique est un appareil permettant de mesurer le temps très précisément. Ils tirent leur nom du principe de leur fonctionnement, puisque les vibrations naturelles des molécules ou des atomes sont utilisées comme période. Les horloges atomiques ont trouvé une application très large dans la navigation, dans l'industrie spatiale, pour déterminer la localisation des satellites, dans le domaine militaire, pour la détection d'avions, ainsi que dans les télécommunications.
Comme vous pouvez le constater, les domaines d'application sont nombreux, mais pourquoi ont-ils tous besoin d'une telle précision, car aujourd'hui l'erreur des horloges atomiques conventionnelles n'est que de 1 seconde toutes les 30 millions d'années ? Mais il y a quelque chose d'encore plus précis. Tout est compréhensible, car le temps sert à calculer les distances, et là une petite erreur peut conduire à des centaines de mètres, voire des kilomètres, si l'on prend des distances cosmiques. Par exemple, prenons le système de navigation GPS américain ; lors de l'utilisation d'une horloge électronique conventionnelle dans le récepteur, l'erreur de mesure des coordonnées sera assez importante, ce qui peut affecter tous les autres calculs, ce qui peut avoir des conséquences en matière de technologies spatiales. . Naturellement, pour les récepteurs GPS des appareils mobiles et autres gadgets, une plus grande précision n'est pas du tout importante.
L'heure la plus précise de Moscou et du monde peut être trouvée sur le site officiel - le « serveur d'heure actuelle précise » www.timeserver.ru
De quoi sont faites les horloges atomiques ?
Une horloge atomique se compose de plusieurs parties principales : un oscillateur à quartz, un discriminateur quantique et des unités électroniques. Le principal qui établit la référence est un oscillateur à quartz, construit sur des cristaux de quartz et produisant, en règle générale, une fréquence standard de 10, 5, 2,5 MHz. Étant donné que le fonctionnement stable du quartz sans erreur est assez faible, il doit être constamment ajusté.
Le discriminateur quantique enregistre la fréquence de la raie atomique et la compare dans le comparateur fréquence-phase avec la fréquence de l'oscillateur à quartz. Le comparateur dispose d'un retour vers l'oscillateur à quartz pour l'ajuster en cas de disparité de fréquence.
Les horloges atomiques ne peuvent pas être construites sur tous les atomes. Le plus optimal est l'atome de césium. Il fait référence au primaire par lequel tous les autres matériaux appropriés sont comparés, par exemple : strontium, rubidium, calcium. L'étalon primaire convient parfaitement à la mesure précise du temps, c'est pourquoi on l'appelle primaire.
L'horloge atomique la plus précise au monde
À ce jour horloge atomique la plus précise sont situés au Royaume-Uni (officiellement adoptés). Leur erreur n’est que d’une seconde sur 138 millions d’années. Ils constituent la norme pour les normes d'heure nationales de nombreux pays, y compris les États-Unis, et déterminent également l'heure atomique internationale. Mais le royaume ne possède pas les horloges les plus précises de la planète.
photo d'horloge atomique la plus précise
Les États-Unis ont annoncé avoir développé un type expérimental d'horloge précise basée sur des atomes de césium ; son erreur était de 1 seconde en près de 1,5 milliard d'années. La science dans ce domaine ne reste pas immobile et se développe à un rythme rapide.
