temps (suite)
Les étalons de fréquence fournissent une fréquence fixe, prédéterminée, sans aucun ajustement final. Il existe des étalons à césium commerciaux aisément transportables. Les étalons primaires de laboratoire sont au contraire très encombrants en raison de la nécessité d’avoir une cavité résonnante aussi longue que possible pour accroître la durée d’interaction entre le champ à hyperfréquence et les atomes.
Application des mesures précises de temps
De nombreuses applications reposent sur l’idée de remplacer une mesure de distance par une mesure de durée, généralement la durée de propagation d’une onde électromagnétique.
Dans le radar, on mesure la durée aller et retour d’une impulsion très brève qui se réfléchit sur l’objet à détecter. On a, par ce procédé, mesuré la distance à la Terre de la Lune, de Vénus, de Mercure et même du Soleil. En radionavigation, le navire détermine sa position par rapport à des émetteurs spécialisés soit grâce à l’écart entre les instants de réception d’impulsions émises en synchronisme (système Loran), soit grâce à la différence de phase d’ondes entretenues (systèmes Omega, Rana, Decca). Les horloges atomiques rendent possible la « navigation à l’horloge » : le retard des signaux d’une horloge restant au sol par rapport à ceux de l’horloge embarquée fournit la distance du mobile (avion) à son point de départ. Une mesure analogue avec une autre station au sol fournit le « point » de l’avion.
En géodésie, pour la mesure de distances de quelques dizaines de kilomètres, on utilise des appareils portatifs dont le fonctionnement repose sur la mesure de la durée de propagation d’une onde lumineuse (géodimètre) ou radioélectrique (telluromètre) ; pour la mesure de distances de quelques centaines de kilomètres, on utilise des systèmes à impulsions. Enfin, l’observation simultanée d’un même satellite depuis diverses stations permet de déterminer les positions relatives de ces stations à 10 m près.
Les progrès de la chronométrie de précision ont ouvert des voies nouvelles dans divers domaines de la physique. À titre d’exemple, la mesure absolue de l’accélération due à la pesanteur a pu être effectuée avec une précision de l’ordre de 10–9 : elle est fondée sur l’observation de la chute libre dans le vide, les longueurs étant mesurées par des procédés interférentiels, et les durées à l’aide d’un étalon à rubidium, à une fraction de nanoseconde près.
En horlogerie courante, les oscillations mécaniques d’un pendule ou d’un balancier-spiral, entretenues par poids ou ressort, puis électriquement (avec, puis sans contact, grâce aux transistors), commencent à être remplacées par celles de diapasons ou de quartz, entretenues électroniquement.
Diffusion du temps
Il y a lieu de distinguer entre la diffusion d’une échelle de temps (signaux horaires) et la diffusion d’une unité de temps (fréquences-étalons).
Depuis le 1er janvier 1972, les signaux horaires suivent presque tous l’échelle de temps universel coordonné (TUC), établie à partir du temps atomique international par adjonction de secondes intercalaires lorsque cela est nécessaire pour assurer une concordance suffisamment étroite avec le temps universel. Deux secondes intercalaires furent introduites en 1972 et en 1973 : le 30 juin et le 31 décembre. L’échelle du temps universel coordonné, qui, le 1er janvier 1958, coïncidait avec le temps universel (TU) et le temps atomique international (TAI), était, au début de 1974, en retard de 14 s sur le temps atomique international. À faible distance, la diffusion des signaux horaires est effectuée par lignes téléphoniques : c’est le cas de l’horloge parlante, en avance d’une heure sur le temps universel coordonné (elle donne l’heure en usage en France) et dont la précision des tops est meilleure que 1 ms. Les signaux horaires à grande portée sont radiodiffusés par ondes courtes. Ils consistent presque tous en tops émis chaque seconde, le top de la minute étant identifié par un prolongement ou un doublement. Ils peuvent être complétés par des informations telles que la différence entre le temps universel corrigé de l’influence du mouvement du pôle (TU 1) et le temps universel coordonné (TUC). À la réception, la comparaison aux tops de l’horloge locale est effectuée au moyen d’un oscilloscope : on les retarde d’une quantité connue, au moyen d’un déphaseur, jusqu’à obtenir la coïncidence. La précision de la comparaison est de 10–4 s, mais la durée de la propagation ne peut être calculée qu’à 1 ms près environ.
Un émetteur dont la fréquence reste stable à quelques 10–10 près constitue un émetteur de fréquence-étalon ; une fréquence de 20 kHz (longueur d’onde, 15 000 m) est une valeur usuelle. La comparaison à un étalon local est effectuée par enregistrement de la différence de phase entre l’onde locale et l’onde reçue. On atteint une précision de quelques microsecondes (10–13 pour une durée de mesure d’une année).
Enfin, on peut encore soit recourir aux satellites artificiels pour la transmission de l’heure, soit faire appel aux émissions courantes de télévision, dont les signaux de synchronisation d’images peuvent servir à la comparaison des horloges de deux stations différentes qui les reçoivent simultanément.
J. D., B. M. et P. G.
➙ Année / Calendrier / Chronomètre / Horloge / Lune / Mécanique céleste / Seconde / Soleil / Terre.
B. Decaux, la Mesure précise du temps en fonction des exigences de la science (Masson, 1959). / B. Decaux et B. Guinot, la Mesure du temps (P. U. F., coll. « Que sais-je ? », 1969). / Annuaire du bureau des longitudes (Gauthier-Villars, 1974).