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11. Les oscillateurs et la mesure du temps

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Les nouveaux maîtres du temps. Comment les astronautes se pèsent et se pèseront-ils dans le futur ? Une innovation technologique, pourrait permettre aux futurs astronautes de se peser en évitant les contraintes du système actuel.

Comment les astronautes se pèsent et se pèseront-ils dans le futur ?

Il est important pour les astronautes de suivre leur masse corporelle, lors d’un périple spatial. Sur seulement quelques semaines, ils peuvent perdre près de 15 % de leurs poids à cause de l’atrophie musculaire provoquée par leurs sous-utilisations. Pour éviter ce déclin physique, l’équipage à bord de la Station spatiale internationale (ISS) passe généralement deux heures par jour, à faire de l’exercice physique. La surveillance du poids dans l’espace n’est pas chose facile, puisque les échelles de mesure traditionnelles ne fonctionnent pas en orbite. Ce froid qui vient de la lumière. Les nouveaux maîtres du temps. Les mystères du temps. Il est, pour Aristote, la dimension du successif, l’aspect mesurable du mouvement.

Les mystères du temps

Il devient, pour Galilée, une véritable variable physique : il peut être inclus dans des équations. Pour Newton, il est absolu, valable en tout point de l’Univers, ne dépendant de rien d’autre que de lui-même. Puis vient cette révolution qu’est la théorie de la relativité d’Einstein (restreinte puis générale), dont la conséquence la plus notable est peut-être qu’elle remet en cause cet objet particulier. L’espace et le temps sont désormais indissociables, « l’écoulement du temps » dépend des dimensions spatiales : l’espace dans lequel nous évoluons n’est plus un espace à trois dimensions, mais bien à quatre inséparables.

Le temps ne s’égrène plus de manière uniforme partout et pour tous : nous avons, chacun, notre temps propre, fonction de nos trajectoires respectives, et du champ gravitationnel dans lequel nous baignons. Les conséquences de cette théorie sont considérables. As-tu pris ton Galileo ? A 10 milliardièmes de seconde près !

As-tu pris ton Galileo ?

Le fonctionnement de Galileo repose en partie sur la mesure du temps. A bord de chaque satellite se trouve une horloge atomique ultra-précise, une technologie complexe mais que les ingénieurs européens maitrisent bien. La physique animée - Superposition de phénomènes ondulatoires : le pendule ondulant.

La démesure de la précision. La mesure du temps atteint aujourd’hui des précisions vertigineuses, grâce notamment aux apports de l’optique et de la photonique.

La démesure de la précision

Or la recherche de la précision ultime est une course de longue haleine qui est loin d’être achevée. Il n’y a pas que la science qui soit affaire de mesures et d’exactitude. Sans que l’on s’en rende compte, surfer sur Internet ou déterminer sa position grâce à un GPS sont des opérations qui demandent des mesures de temps ou de distance d’une précision très élevée… et sans cesse croissante. Institut de physique - CNRS - Record de précision pour la mesure de différence de rythme entre deux horloges atomiques distantes de 700 km. Une équipe franco-allemande, dont des physiciens du laboratoire Systèmes de référence temps-espace (CNRS/Observatoire de Paris/UPMC, associés au LNE) et du Laboratoire de physique des lasers (CNRS/Université Paris 13), viennent pour la première fois de mesurer la différence de rythme de deux horloges atomiques ultraprécises éloignées de plusieurs centaines de kilomètres, grâce à une liaison par fibre optique.

Institut de physique - CNRS - Record de précision pour la mesure de différence de rythme entre deux horloges atomiques distantes de 700 km

Cette comparaison est 20 fois plus précise que les comparaisons actuelles d’horloges qui reposent sur le système GPS, et la mesure est 10 000 fois plus rapide à résolution égale. La différence relative de fréquence de deux millionièmes de milliardième observée entre les deux horloges, l’une à Paris et l’autre à Braunschweig à 700 km de distance, est la signature d’un effet de relativité générale qui affecte les horloges situées à des altitudes différentes (20 mètres d’écart).

Travail d'une force constante. Tiny optical frequency clock measures time accurately to 270 quintillionths of a second. Researchers at the UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science have created an optical clock that's just 1 cubic centimeter—small enough to fit on a standard silicon chip—and can track time intervals with precision to 270 quintillionths of second.

Tiny optical frequency clock measures time accurately to 270 quintillionths of a second

(One quintillionth is equivalent to 1 times 10 to the negative 18th power, or 0.000000000000000001.) Today's most accurate clocks, atomic clocks, are used to keep time for the Internet and satellite communications, and help astronomers detect Earth-like planets beyond our solar system. Their accuracy—to "only" within a tenth of trillionths of a second, or 1 times 10 to the negative 13th power—is based on the naturally occurring frequencies of atoms that respond to radiation. Previous optical clocks were much larger than the new one developed at UCLA: They used large fiber lasers that needed to be housed in equipment about the size of a desktop computer. More information: S. Pourquoi les années bissextiles sont essentielles dans notre calendrier. Ce lundi est évidemment une journée un peu particulière, comme tous les 29 février.

Pourquoi les années bissextiles sont essentielles dans notre calendrier

L'année 2016 compte ainsi, non pas 365 jours, mais 366 jours, ce qui est (presque) le cas tous les 4 ans. 29 jours en février, c'est donc une année bissextile, les autres se contentant de 28 jours. Aussi étrange soit-elle, cette coutume est tout sauf anodine et impacte la vie quotidienne d'absolument tout le monde. Sans elle, le mois de juin pourrait survenir en plein hiver, tandis que Noël pourrait avoir lieu au printemps.

Le 30 juin, une seconde qui change tout. Une seconde intercalaire est rajoutée mardi soir à minuit, en temps universel, pour compenser le ralentissement de la rotation de la Terre depuis 2012.

Le 30 juin, une seconde qui change tout

Le 30 juin, les horloges du monde entier vont marquer une petite pause d'une seconde entre 23: 59: 59 et 0: 00: 00. Pendant un bref instant, il sera exceptionnellement 23: 59: 60. Ce petit instant permettra à la Terre de rattraper le retard accumulé par rapport aux horloges atomiques qui battent la mesure de référence depuis 1967. Car la Terre a en effet tendance à ralentir. Pas de manière régulière (il peut se produire de petites pauses voire de légères accélérations par moments), mais, de façon générale, les forces gravitationnelles exercées par la Lune et le Soleil freinent inexorablement la toupie planétaire. Hyper-precise atomic clocks face off to redefine time. La nouvelle horloge atomique est garantie... 15 milliards d'années ! Mesurer le temps avec les atomes. Dans une horloge à fontaine atomique : les atomes de césium sont refroidis par laser à une température de un microkelvin et lancés vers le haut avec une vitesse de quatre mètres par seconde.

Mesurer le temps avec les atomes

Vidéo : comment mesure-t-on le temps ? Top-precision optical atomic clock starts ticking. A state-of-the-art optical atomic clock, collaboratively developed by scientists from the University of Warsaw, Jagiellonian University, and Nicolaus Copernicus University, is now "ticking away" at the National Laboratory of Atomic, Molecular and Optical Physics in Toruń, Poland.

Top-precision optical atomic clock starts ticking

As the first of its kind in Poland and one of just a handful of clocks of this caliber in the world, the new clock will keep track of the passage of time with extraordinary precision. Physicists from Warsaw, Toruń, and Cracow have constructed an atomic clock that is one of just a few of its kind in the world - already now, at an early stage of operation, it has most likely become Poland's most precise clock.