Depuis 1967, la seconde est définie par le comportement quantique d’un atome, et non par la rotation de la Terre, comme c’était le cas auparavant à l’époque des horloges à quartz. Cette année-là, la 13e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a choisi le césium 133 comme référence universelle, parce que cet atome possède une particularité que les physiciens exploitent depuis : lorsqu’on le soumet à un rayonnement micro-onde d’une fréquence bien précise, ses électrons basculent d’un état d’énergie à un autre de manière parfaitement régulière.
Ces changements provoquent une oscillation toujours identique : en fixant la seconde comme la durée nécessaire pour que celle-ci se répète exactement 9 192 631 770 fois, les métrologistes se sont dotés d’un étalon affranchi de tout phénomène astronomique, suffisamment stable pour ne dériver que d’une seconde en 150 millions d’années. Sur cette définition repose, depuis 1972, le Temps Universel Coordonné (UTC) : la convention mondiale qui synchronise nos antennes 5G, nos satellites GPS, nos places boursières et nos réseaux électriques intelligents.
Mais le règne du césium touche bientôt à sa fin. Les horloges optiques, apparues dans les laboratoires au cours des années 2000, exploitent des atomes comme le strontium 87 ou l’ytterbium 171, dont les transitions se produisent dans le spectre visible, à des fréquences cent mille fois supérieures à celles du césium. Leur marge d’erreur : une seconde en 15 milliards d’années, un chiffre qui excède l’âge estimé de l’Univers.
À cet égard, comment justifier de garder le césium comme référence alors que ses successeurs le surpassent d’un facteur cent ? C’est la raison pour laquelle la CGPM, s’est réunie du 13 au 15 octobre à Versailles et a adopté un texte qui valide la feuille de route vers une nouvelle définition de la seconde, dont l’adoption officielle est prévue pour 2030.
Pourquoi la seconde doit-elle évoluer ?
Noël Dimarcq est le président du Comité consultatif du temps et des fréquences (CCTF), l’instance qui réunit les métrologistes des grands laboratoires nationaux et dont les travaux servent de base scientifique aux résolutions de la CGPM. Dans sa déclaration officielle, il a indiqué : « les meilleures réalisations de la définition actuelle de la seconde ont été surpassées par les étalons de fréquence optiques », dont certains affichent une incertitude cent fois inférieure.
Les réalisations en question, ce sont les horloges atomiques à fontaine de césium : des dispositifs qui refroidissent des atomes de césium au laser jusqu’à une température proche du zéro absolu, puis les projettent verticalement, comme un jet d’eau, avant de les sonder pendant leur retombée en chute libre, ce qui minimise les perturbations extérieures et permet la mesure la plus fine possible de leur fréquence de transition. Ce sont elles qui, depuis les années 1990, incarnent le sommet de la technologie au césium.
Dimarcq en tire cette conclusion : « la précision des mesures de fréquence est désormais limitée par la définition de la seconde elle-même, et non par les capacités technologiques des laboratoires les plus avancés ». La seconde, telle qu’elle a été définie en 1967, « découpe » le temps en 9,2 milliards de tranches. Aujourd’hui, les horloges optiques, elles, sont capables de travailler avec des « tranches » cent mille fois plus fines, mais la définition officielle ne leur permet pas de faire valoir cette résolution.
C’est un peu comme si un arbitre qui chronomètrait une compétition de sprint disposait d’un instrument capable de mesurer au millionième de seconde, mais qu’on l’obligeait à arrondir ses résultats au dixième parce que le règlement n’a jamais été actualisé : une situation absurde à laquelle la quatrième résolution votée par la CGPM entend mettre fin.
Elle donne donc mandat au CIPM (Comité international des poids et mesures) de préparer une nouvelle définition de la seconde pour 2030, mais la communauté métrologique n’a pas encore tranché sur la forme qu’elle prendra. Deux options restent ouvertes : fixer la seconde par rapport à la fréquence d’une seule transition optique, à l’image de ce qui avait été fait avec le césium en 1967, ou la fonder sur une moyenne pondérée de plusieurs transitions atomiques, ce qui constituerait une première absolue dans l’histoire du Système international d’unités.
Le chemin n’est cependant pas totalement dégagé : Dimarcq admet que sur les huit critères obligatoires posés par les travaux du CCTF publiés dans la revue Metrologia en janvier 2024, deux restent « loin d’être satisfaits », notamment la contribution régulière des horloges optiques au Temps atomique international (TAI), la référence mondiale compilée à partir de plus de 450 horloges réparties dans 80 laboratoires à travers le monde. Il reste néanmoins confiant : selon lui, « ces critères pourraient être remplis d’ici 2030 grâce à un effort international coordonné ». Si ce n’est pas le cas, rendez-vous en 2034, année où se tiendra la 30ᵉ CGPM, seule habilitée à adopter formellement la nouvelle définition.
Qu’est-ce que cela changera pour nous ?
Que la CGPM se décide en 2030 ou en 2034, cela ne changera rien à notre quotidien : cette redéfinition sera complètement imperceptible, et de notre point de vue, une seconde restera une seconde. Les retombées seront ailleurs, dans des domaines où la mesure du temps est l’une des conditions nécessaires à la compréhension des lois fondamentales de la nature et au franchissement de nouvelles frontières scientifiques.
Les horloges optiques sont déjà suffisamment sensibles pour détecter des variations du champ gravitationnel terrestre à l’échelle du millimètre d’altitude, ce qui en fait des outils géodésiques incroyablement efficaces pour surveiller la montée des océans, l’état des nappes phréatiques, la déformation de la croûte terrestre avant un séisme ou l’activité d’un volcan.
La navigation par satellite gagnerait également en précision, puisque les horloges atomiques à bord des 24 satellites GPS et des 30 satellites Galileo qui guident nos téléphones, nos avions et nos navires accumulent, sans corrections relativistes, une erreur de dix kilomètres par jour.
La physique fondamentale et l’astrophysique en seront également les premières bénéficiaires : des horloges optiques servent déjà à vérifier si les constantes de la nature sont réellement constantes (ce n’est pas une blague !) ou à traquer la matière noire. De même, ce sont des réseaux de radiotélescopes synchronisés par des horloges atomiques à hydrogène qui ont permis d’obtenir les premières images historiques de trous noirs : celle de M87* en 2019, puis celle de Sagittarius A*, au cœur de notre propre galaxie, en 2022. Chaque fois que l’humanité a progressé dans sa manière de mesurer le temps, des révolutions scientifiques totalement imprévisibles se sont produites ; la prochaine redéfinition de 2030 (ou 2034) ne fera pas exception.