Qu’est-ce qu’une horloge atomique ?

Depuis leur création au début des années 1950, les horloges atomiques se sont beaucoup développées et sont aujourd’hui présentes dans plusieurs domaines. Que ce soit dans les systèmes GPS, les télécommunications ou les systèmes des satellites, elles sont très précieuses. Pourquoi ? Parce qu’une horloge atomique garantit une précision et une stabilité remarquables. Qu’est-ce qu’une horloge atomique et comment fonctionne-t-elle ?

D’abord, c’est quoi une horloge atomique ?

Une horloge atomique est un système qui utilise la fréquence du rayonnement électromagnétique que produit un électron lors du changement de son niveau d’énergie. Étant donné la stabilité des niveaux d’énergie d’un atome, ce type d’horloge est très précis. En effet, il permet d’indiquer le temps avec une dérivée pouvant être inférieure à 1 seconde après 30 millions d’années.

Les premières horloges atomiques ont vu le jour au début des années 1950, plus précisément en 1955. Elles ont été mises sur pied par les scientifiques Louis Essen et Jack Parry. La question maintenant est de savoir comment fonctionnent ces horloges et à quoi elles servent.

Fonctionnement d’une horloge atomique

Le fonctionnement d’une horloge atomique est entièrement basé sur les principes de la physique quantique.

Son rapport avec la physique quantique

Pour chaque atome, il existe des niveaux d’énergie précis sur lesquels il peut se trouver. C’est d’ailleurs un élément caractéristique de chaque atome et cette caractéristique est universelle. Ainsi, l’atome ne peut en aucun cas se trouver entre deux niveaux et ces niveaux sont discrets.

Parmi ces niveaux, il existe un niveau fondamental et des niveaux excités. Il est possible de faire passer l’atome d’un niveau initial vers le niveau d’énergie suivant. Pour cela, il suffit de lui envoyer une quantité d’énergie bien précise (différence entre le niveau final et celui initial). De même, l’atome peut passer d’un niveau à un autre plus bas en libérant une quantité précise d’énergie (différence entre le niveau initial et celui final).

Par ailleurs, pour provoquer le passage d’un atome d’un niveau d’énergie à un autre, on peut utiliser les ondes électromagnétiques ayant une fréquence précise.

Et le rapport avec une horloge atomique ?

De façon générale, le principe de fonctionnement est semblable à celui d’une horloge industrielle qui se base sur les oscillations du balancier ou d’une horloge qui utilise les oscillations de Quartz. Cependant, au lieu de compter les oscillations, il suffit ici de comptabiliser la période des ondes électromagnétiques qui ont permis la transition atomique.

En effet, puisque les différences entre les niveaux d’énergie expliqués plus haut sont précises et stables, il en est de même pour la fréquence des ondes. Cela est aussi le cas pour les périodes que l’on peut donc comptabiliser pour « mesurer le temps » et construire des horloges : ce sont des horloges atomiques.

La particularité de ces horloges, c’est leur stabilité et leur précision impressionnante. Toutefois, même si elles sont toutes stables, certaines le sont plus que d’autres. C’est le cas de l’horloge au Césium 133 qui est la plus stable à ce jour. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’elle est la plus utilisée.

Toutefois, il est important de rappeler qu’il existe aussi plusieurs autres types. On peut citer l’horloge à l’hydrogène et celle au rubidium qui sont cependant moins précises.

 

Quelles sont les applications des horloges atomiques ?

Comme nous l’avons dit plus haut, les horloges atomiques possèdent une précision impressionnante qui peut aller à l’ordre d’une dérivée d’une seconde après 30 millions d’années. La question maintenant, c’est de savoir à quoi peut bien servir une telle précision. Ceci se pose parce que dans la vie de tous les jours, on a plutôt une notion relative du temps.

Comme vous pouvez vous l’imaginer, une horloge atomique n’est pas faite pour mesurer le temps afin de respecter un rendez-vous. Elle est cependant utile dans de nombreux domaines tels que la spectroscopie, la physique, la radioastronomie, etc.

La précision dans le système de navigation par satellites

Il est très connu que dans le système des satellites, la précision est une qualité très précieuse. En effet, une simple erreur d’une microseconde est capable de faire varier les calculs jusqu’à 300 mètres. C’est pour cette raison que les horloges atomiques sont privilégiées dans ce domaine.

Une autre raison, c’est le fait que les satellites doivent fonctionner pendant des milliers d’années de manière autonome. C’est le cas de leurs horloges aussi et du fait de la stabilité d’une horloge atomique, elle est à privilégier.

Une horloge atomique est aussi très utile dans un système de navigation tel que le GPS ; surtout lors de la navigation aérienne. Là aussi, on a besoin d’une précision extrême, faute de quoi les erreurs commises peuvent être assez conséquentes.

La précision dans les réseaux de télécommunications

Dans le domaine des réseaux et télécommunications, il est aussi très utile d’avoir une certaine précision. En effet, pour une meilleure communication, les informations transmises doivent être assez synchronisées. C’est le cas par exemple lors des appels téléphoniques à travers le monde.

En effet, les informations émises sont transmises à travers plusieurs opérateurs et ne sont reconstituées qu’à l’arrivée. Pour garantir une bonne synchronisation, l’utilisation des horloges atomiques est d’une grande utilité.

La précision au niveau des transactions bancaires

Les banques se servent aussi d’une horloge atomique. Pourquoi ? Tout simplement pour garantir la datation des transactions importantes. En effet, la précision doit souvent être de l’ordre d’une milliseconde et seule une horloge atomique peut satisfaire ces exigences. Ceci est aussi un atout pour gérer les chronologies des transactions.

Une autre application d’une horloge atomique, c’est tout simplement dans le domaine des réseaux mobiles haut-débit, notamment la 4G. Là aussi, la synchronisation des informations est d’une grande importance. Ce souci est aussi présent dans les systèmes de distribution d’électricité.

Les limites des horloges atomiques

L’horloge atomique présente certes de nombreuses applications dans des différents domaines, mais elle fait aussi face à des limites. La principale limite de ce type d’horloge est tout simplement le coût de réalisation. En raison de sa complexité, le coût est assez élevé.