Métrologie de la mesure du temps - Définition

Introduction

La mesure du temps est la base fondamentale de la précision du système S.I. Il convient donc de bien comprendre les fondements de la mesure du temps, et comprendre la double nécessité : rester compréhensible et utile pour tout homme, être de la meilleure précision possible.

Concept de temps mesurable

Comme pour toute grandeur fondamentale, il faut pouvoir définir un concept dit simultanéité, qui définisse expérimentalement ce que veut dire t1 = t2 (au sens de la relation d'équivalence : réflexive, symétrique et transitive). Dans le cadre de la physique newtonienne où les vitesses ne sont pas bornées, cela est possible et permet de définir le concept d'évènements simultanés : tous les évènements de cette classe d'équivalence sont dits avoir eu lieu à la même date.

Deuxièmement, pour conférer à ce concept le statut de grandeur repérable, il faut pouvoir définir expérimentalement une relation d'ordre total [ réflexive, antisymétrique et transitive] : on dira alors qu'il est possible de parler de date postérieure à une autre.

Dans ces conditions, il ne reste plus qu'à trouver une ( ou des) succession d'évènements sur lesquels tous les expérimentateurs seront d'accord pour dire qu'ils sont postérieurs les uns aux autres.Le choix d'une échelle de temps T = f(t) est alors arbitraire, du moment que f(t) soit croissante : on définit ainsi une échelle géologique, historique, linguistique, chronochimique, psychologique, ...

Troisièmement, la grandeur peut être mesurable : cela veut dire qu'on peut établir entre deux DURÉES une relation binaire qui soit isomorphe au groupe additif des réels : l'opération dt1 +dt2 = dt3 doit être associative, posséder un élément neutre et on doit savoir expliciter ce que veut dire dt1+dt2 = 0. D'autre part, il faut le plus souvent lui conférer la structure de corps, et pouvoir valider l'axiome d'Archimède : c’est-à-dire que n .dt1 peut être une durée aussi grande que l'on veut en prenant n assez grand. Cela est souvent passé sous silence : par exemple on pense que le temps est divisible à l'infini ; on pense aussi que le temps futur ou passé n'a pas d'horizon (sinon, on sait quelle transformation faire pour cela).

Alors, on peut définir dt1/To, To étant une durée fondamentale prise pour unité.

Historique bref

• En 1884, lors de la Conférence de Washington le Temps moyen de Greenwich basé sur la rotation de la Terre, l'antique succession jour-nuit que l'on croyait pérenne, est adopté comme référence mondiale. Il sera remplacé par le Temps Universel ( UT) en 1925.

• Nicolas Stoyko, dès 1937, en comparant les variations saisonnières de la marche d'horloges, établit que la Terre tourne plus rapidement de juillet à octobre puis plus lentement le reste de l'année.

• Puis la théorie est bien comprise : l'éloignement de la Lune est directement lié aux marées et est lié au ralentissement de la Terre : le jour sidéral varie et le mois lunaire aussi. les tirs lasers depuis 1969 sur la Lune donne un éloignement de la Lune de 3.82(5)cm/an

• En 1956, le mouvement du pôle de Chandler ( période 434 jours, plus composante saisonnière, plus aléas) est analysé, compris : tout est en place pour prendre l'année tropique comme unité.

• En 1960, la seconde est définie à partir de la durée de l'année tropique 1900, c'est-à-dire à partir du mouvement de révolution de la Terre autour du Soleil : c'est la fraction 1/31 556 925, 974 7 de l'année tropique. L'échelle de temps qui lui correspond est le temps des éphémérides (TE); il n'aura qu'une brève existence (1960-1967), due en partie à sa difficulté d'usage et de la complexité de sa mesure.

• De plus les masers et les premières horloges atomiques apparaissent. Leur exactitude et leur stabilité défient toute concurrence astronomique. La 13^e Conférence Générale des Poids et Mesures change alors la définition de la seconde. En 1967, ce sera dorénavant la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133, à 0 Kelvin, sur l'ellipsoïde terrestre de référence pivotant. Cette transition est actuellement réalisée avec une exactitude de 10^(-15). Le Temps atomique est créé, puis bientôt le TAI avec le développement des horloges atomiques dans le monde.

Le 0 Kelvin veut dire que l'on corrige de l'effet Doppler transverse du second ordre, de même que l'on corrige l'influence de l'altitude, à cause de l'effet Einstein (mesuré par Pound et Rebka depuis 1960), et la rotation de la Terre (effet Sagnac-Einstein).

A partir du TAI, on fabrique l'échelle de temps de référence, l'UTC.