La métrologie du temps

Le cadre théorique de la mesure du temps

Le cadre théorique de la mesure du temps a bien sûr évolué au cours de l'histoire de l'humanité. Le modèle newtonien, qui était la référence jusqu'au début du XX^ème siècle, admet l'existence d'un espace et d'un temps absolus. A la suite de diverses expériences d'optique et d'électrodynamique (Fizeau, 1849, Foucault, 1850, électrodynamique de Maxwell en 1869, mesure de la vitesse absolue orbitale de la Terre par Michelson, 1881, puis Michelson et Morley, 1887) le modèle newtonien a été pris en défaut. Ce n'est qu'en 1905, dans le cadre de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein , que les résultats de ces expériences pourront être expliqués. La relativité restreinte est cependant une théorie qui ne prend pas en compte les forces gravitationnelles engendrées par les masses situées dans notre univers. La théorie de la relativité générale d'Einstein s'applique, elle, à un monde réel ou masses et énergie trouvent leur place. C'est le cadre théorique actuel le plus large de la métrologie du temps . Les diverses échelles de temps réalisées par des méthodes astronomique ou physique ont pour cadre ces différents modèles théoriques. L'année 1967 a été une période charnière dans l'histoire de la mesure du temps puisque la seconde du système international a été définie à partir d'un phénomène physique et non plus à partir du mouvement des astres: "La seconde est la durée de 9192631770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133". Les notions concernant les échelles de temps astronomiques ou atomiques  sortent du cadre de cette brève présentation mais les ouvrages cités dans la bibliographie ainsi que les divers liens apporteront de plus amples informations.
 

Les comparaisons continentale et intercontinentale des horloges atomiques

Il existe de nombreux organismes dans le monde qui possèdent des horloges atomiques ou des étalons primaires de fréquence. Bien sûr chacun de ces organismes souhaite comparer ses propres instruments à ceux des autres  à des fins d'évaluation et d'amélioration de leurs qualités métrologiques ou simplement pour participer au calcul du temps atomique international, TAI . La méthode la plus classique pour comparer des horloges distantes consiste à employer les satellites du Global Positioning System, GPS.

Le GPS est un système militaire de radionavigation constitué d'un ensemble de satellites en orbite à 20000 km autour de la Terre. Chaque station équipée d'une des horloges à comparer reçoit les signaux d'un satellite du GPS. Les temps d'arrivée des signaux sont datés grâce à l'horloge de la station réceptrice alors que les temps d'émission de ces signaux par un satellite quelconque sont datés dans l'échelle de temps de l'horloge embarquée par ce satellite. Un algorithme permet de faire la correspondance entre l'échelle de temps du satellite et le temps du GPS. En faisant une simple différence des observations effectuées aux mêmes instants dans les deux stations le temps du GPS disparaît et il est ainsi possible d'obtenir la différence de lecture des horloges des deux stations.
 

Applications de la métrologie du temps

Toutes les études entreprises en métrologie du temps ont bien sûr des applications. Dans le domaine de la recherche fondamentale on peut citer les tentatives de raccordement des unités du SI à la définition de la seconde car c'est l'unité qu'on sait, de loin, le mieux réaliser (incertitude relative de l'ordre de 10^-15). Certaines constantes de la physique peuvent être déterminées par la seule mesure de la fréquence de phénomènes physiques, on peut alors obtenir leur valeur avec une très faible incertitude: La constante de Rydberg, le facteur de Landé de l'électron et la constante de structure fine en sont quelques exemples. La métrologie du temps a également un impact sur la physique atomique par le biais de la vérification de la linéarité de la mécanique quantique (équation de Schrödinger) et par sa contribution à la connaissance de certaines propriétés atomiques et moléculaires.  La mesure du temps intervient également dans les tests des modèles de structure de l'espace-temps et de la gravitation par l'utilisation directe ou indirecte des étalons atomiques de temps. La finalité de ces tests est la discrimination des différentes théories de la gravitation, la relativité générale d'Einstein n'étant qu'une théorie parmi d'autres. La métrologie du temps trouve aussi sa place dans bon nombre d'applications de positionnement, de géodésie ou de navigation: Le système GPS en est un exemple, le GLObal NAvigation Satellite System (GLONASS) ainsi que les systèmes DORIS  (Détermination d'orbite et radiopositionnement intégrés par satellites) et PRARE (Precise Range Rate Equipment) en sont d'autres. La technique de radio-interférométrie à très longue base dite VLBI (Very Long Baseline Interferometry) trouve des applications dans l'étude de la rotation de la Terre  et dans la formation des systèmes de référence céleste et terrestre.

Les mesures VLBI font appel à la stabilité de fréquence des masers à hydrogène présents dans les stations d'observation: c'est le domaine de la métrologie du temps. Les pulsars millisecondes  sont des objets dont l'observation a démontré que leur stabilité de fréquence pouvait peut-être rivaliser avec la stabilité des meilleures échelles de temps atomique (TAI, TT(BIPM),...). Des études de très longue haleine sont en cours pour connaître la réponse à cette question. La métrologie du temps est doublement présente dans ces recherches. Premièrement parce que les temps d'arrivée des impulsions radio émises par ces astres sont datés par rapport à une horloge atomique présente dans la station d'observation. Deuxièmement parce qu'il faut raccorder cette horloge aux meilleures échelles de temps atomique à des fins de comparaison.