Les horloges atomiques

Expérience de pensée : Demain matin, toutes les horloges atomiques, et toutes les horloges tout court, à la surface de la planète, se dérèglent par un mystérieux coup du sort.

Question : Comment retrouver l'heure actuelle avec la même précision qu'avant ?

L'horloge solaire.

il y a 4 minutes, Talon 1 a dit :

L'horloge solaire.

La précision ne serait pas la même !

Une horloge atomique est très précise, jusqu'à 1 pico secondes de précision.

Et puis durant la nuit on ferait comment ?

Pourrait-on restaurer l'état antérieur et normal de la mesure du temps ?

il y a une heure, Quasi-Modo a dit :

Expérience de pensée : Demain matin, toutes les horloges atomiques, et toutes les horloges tout court, à la surface de la planète, se dérèglent par un mystérieux coup du sort.

Question : Comment retrouver l'heure actuelle avec la même précision qu'avant ?

Qu'appelles-tu un coup du sort ?

Les "horloges atomiques" est une expression très mal choisie car ce ne sont pas des horloges et elles ne donnent pas le temps.

La véritable appellation doit être "étalon de fréquence". Elles jouent le même rôle qu'un métronome ultra précis.

La précision des horloges à balancier avec échappement de Huyghens est de l'ordre de quelques secondes par semaine.

La précision des oscillateurs à quartz est de l'ordre de quelques secondes par an.

La dérive des oscillateurs atomiques est de l'ordre de quelques secondes par siècle.

Les derniers records de précision atteignent la seconde par million d'années.

les oscillateurs atomiques qui servent de référence au contrôle du temps ne sont pas perturbés par des "pets de mouches" hypothétiques.

La métrologie est une science sérieuse parmi les plus exigentes !

Ben comment ont ils fait avec la 1ere horloge atomique ?

Variante : demain matin, toutes les horloges se dérèglent, si bien que toutes les horloges du monde indiquent une heure différente. Il n'y a plus qu'une horloge atomique dans le monde qui n'a pas bougé.

Comment saurait-on quelle horloge atomique indique encore la bonne heure pour y synchroniser toutes les autres ?

il y a 19 minutes, Répy a dit :

Qu'appelles-tu un coup du sort ?

Les "horloges atomiques" est une expression très mal choisie car ce ne sont pas des horloges et elles ne donnent pas le temps.

La véritable appellation doit être "étalon de fréquence". Elles jouent le même rôle qu'un métronome ultra précis.

La précision des horloges à balancier avec échappement de Huyghens est de l'ordre de quelques secondes par semaine.

La précision des oscillateurs à quartz est de l'ordre de quelques secondes par an.

La dérive des oscillateurs atomiques est de l'ordre de quelques secondes par siècle.

Les derniers records de précision atteignent la seconde par million d'années.

les oscillateurs atomiques qui servent de référence au contrôle du temps ne sont pas perturbés par des "pets de mouches" hypothétiques.

La métrologie est une science sérieuse parmi les plus exigentes !

Je sais que typiquement la durée d'une seconde est définie par un certain nombre de vibrations de l'atome de césium 133.

Mais le cadre de référence serait perdu à jamais je pense !

On connaîtrait encore la durée d'une seconde, grâce à la vibration de l'atome de césium 133, mais à mon avis on ne saurait pas comment synchroniser l'heure pour retrouver l'état antérieur, avant le dérèglement global, avec la même précision.

Il y aurait forcément un décalage supérieur à la précision de la plus précise des horloges atomiques.

D'ailleurs est-on bien certain que les atomes de césium vibreront toujours exactement à la même cadence ?

il y a 5 minutes, Quasi-Modo a dit :

D'ailleurs est-on bien certain que les atomes de césium vibreront toujours exactement à la même cadence ?

Je ne suis pas spécialiste des transitions entre niveaux électroniques hyperfins !

Si la fréquence de ces transitions est indépendante de la gravitation et du champ magnétque, qui sont les causes de perturbation extérieures les plus fréquentes, alors cette "horloge" est indérèglable.

J'ai trouvé cette vidéo qui offre certaines explications.

Mais selon ce que j'en comprends, à partir de 48 minutes et 40 secondes, il n'y a pas de certitude sur la stabilité des lois qui permettent de mesurer la seconde. D'autant que tout notre système métrique (car la seconde est définie par le nombre de vibrations de l'atome de césium, tandis que le mètre est défini par rapport à la seconde et la vitesse de la lumière) est basé sur le césium.

Ainsi la seconde est mesurée par 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, et le mètre est mesuré par la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 secondes. (cf. https://fr.wikipedia.org/wiki/Histoire_du_mètre )

Et malgré tout cela nous ne sommes pas certains que tous les atomes de césium vibrent vraiment à la même cadence, ni que leur fréquence change ou non dans le temps ?!

C'est choquant, même si apparemment aucune différence suffisamment importante n'a jamais été constatée entre deux atomes de césium.

Tout notre système métrique et de mesure du temps serait basé sur une mesure (l'atome de césium et ses vibrations) dont on ne pourrait garantir à l'heure actuelle ni même à jamais, qu'elle soit totalement stable dans le temps ou entre les atomes de césium eux-mêmes ?

Ne serait-ce que d'un point de vue épistémologique d'ailleurs !

Ou alors j'ai mal compris ?

il y a 20 minutes, Quasi-Modo a dit :

Et malgré tout cela nous ne sommes pas certains que tous les atomes de césium vibrent vraiment à la même cadence, ni que leur fréquence change ou non dans le temps ?!

C'est choquant, même si apparemment aucune différence suffisamment importante n'a jamais été constatée entre deux atomes de césium.

Tout notre système métrique et de mesure du temps serait basé sur une mesure (l'atome de césium et ses vibrations) dont on ne pourrait garantir à l'heure actuelle ni même à jamais, qu'elle soit totalement stable dans le temps ou entre les atomes ?Ou alors j'ai mal compris ?

Si on a choisi le Césium c'est sans doute pour d'excellentes raisons que seuls les spécialistes du monde entier connaissent et ne remettent pas en cause.

Rien ne dit que l'on ne trouvera pas un jour un meilleur étalon de fréquence. Actuellment c'est le meilleur, c'est tout.

le choix fait par les métrologues au sujet des unités de Temps et de distance (seconde et mètre) se veux indépendant d'objets conventionnels comme le mètre étalon en platine.

Le système international d'unités est basé sur 7 unités fondamentales ( mètre seconde, kg, ampère, kelvin, mole et candela).

La recherche actuelle consiste à trouver des unités :

- rattachées à des phénomènes physiques indépendants des objets humains

- reproductibles

- et de très grande précision relative.

Le nouveau système international de mesures (SI) est en cour de finalisation.

il y a une heure, Répy a dit :

Si on a choisi le Césium c'est sans doute pour d'excellentes raisons que seuls les spécialistes du monde entier connaissent et ne remettent pas en cause.

Rien ne dit que l'on ne trouvera pas un jour un meilleur étalon de fréquence. Actuellment c'est le meilleur, c'est tout.

le choix fait par les métrologues au sujet des unités de Temps et de distance (seconde et mètre) se veux indépendant d'objets conventionnels comme le mètre étalon en platine.

Le système international d'unités est basé sur 7 unités fondamentales ( mètre seconde, kg, ampère, kelvin, mole et candela).

La recherche actuelle consiste à trouver des unités :

- rattachées à des phénomènes physiques indépendants des objets humains

- reproductibles

- et de très grande précision relative.

Le nouveau système international de mesures (SI) est en cour de finalisation.

Mais ne serait-ce que pour des raisons épistémologiques, on peut trouver frustrant l'idée d'utiliser des phénomènes naturels comme étant à la base du système d'unités internationales, car il se peut que des variations inconnues ou imperceptibles subsistent, dans certaines conditions non testées, quoique cela doive sans doute être peu probable. Il y a une contradiction entre l'exigence d'un étalon de mesure universel et l'épistémologie popperienne qui suppose qu'on ne peut jamais vraiment valider une théorie scientifique, même si on peut la corroborer (càd. la confirmer des milliers de fois).

il y a une heure, Répy a dit :

Le système international d'unités est basé sur 7 unités fondamentales ( mètre seconde, kg, ampère, kelvin, mole et candela).

Je pense que plusieurs de ces unités dérivent de la seconde et/ou du mètre.

Par exemple le kilogramme :

Citation

Depuis le 20 mai 2019, il est défini en fixant la valeur numérique de « la constante de Planck, h, égale à 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J s, unité égale à kg m² s⁻¹ », le mètre et la seconde ayant déjà été définis auparavant en fixant « la fréquence de la transition hyperfine de l’état fondamental de l’atome de césium 133 non perturbé, ∆ν_Cs, comme égale à 9 192 631 770 Hz » pour déterminer la seconde de façon aisément reproductible et précisément mesurable, et en fixant « la vitesse de la lumière dans le vide, c, comme égale à 299 792 458 m/s » pour déterminer également le mètre en fonction de la seconde de façon aisément reproductible et précisément mesurable.¹⁴. Cette nouvelle définition a été officiellement approuvée par le BIPM le 16 novembre 2018, lors de la 26^e conférence générale des poids et mesures¹⁵.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Kilogramme

D'ailleurs j'ai beaucoup de mal à comprendre quelles unités sont plus fondamentales que les autres là dedans, dans quelle mesure elles dépendent de théories plus ou moins bien corroborées, ni de savoir si pour mesurer certaines constantes cosmologiques, nous n'avons pas par hasard besoin d'utiliser des théories qui présupposent des systèmes d'unités, etc.

Par exemple utiliser la vitesse de la lumière c, arrêtée à 299792458 m/s ainsi que la seconde (vibrations du césium 133) pour définir le mètre me paraît bizarre, car pour mesurer c on a bien utilisé le mètre auparavant, non ?

De même, pour mesurer les vibrations de l'atome de césium 133, je ne suis pas sûr que le moyen par lequel on va mesurer les oscillations sera indépendant des notions de mètre ou de kilogramme, ou de toute autre unité possible et nécessaire aux théories qui permettent de mesurer ces vibrations concrètement ?

C'est un vrai foutoir les unités internationales, il faudrait voir quelle unité doit être plus fondamentale que les autres pour s'appuyer dessus et définir les autres, et quels phénomènes physiques pourraient être choisis afin de construire une sorte de graphe de dépendance des unités les unes par rapport aux autres, sachant que la réfutabilité pourrait très bien venir à bout de certaines lois physiques servant de base aux étalons considérés auparavant comme stables et universels, et que toute mesure (p.ex. la vitesse de la lumière) suppose elle-même une théorie qui utilise elle-même des unités de mesure (p.ex. mètre et seconde) !

il y a 47 minutes, Quasi-Modo a dit :

Mais ne serait-ce que pour des raisons épistémologiques, on peut trouver frustrant l'idée d'utiliser des phénomènes naturels comme étant à la base du système d'unités internationales, car il se peut que des variations inconnues ou imperceptibles subsistent, dans certaines conditions non testées, quoique cela doive sans doute être peu probable. Il y a une contradiction entre l'exigence d'un étalon de mesure universel et l'épistémologie popperienne qui suppose qu'on ne peut jamais vraiment valider une théorie scientifique, même si on peut la corroborer (càd. la confirmer des milliers de fois).

Je pense que plusieurs de ces unités dérivent de la seconde et/ou du mètre.

Par exemple le kilogramme :

https://fr.wikipedia.org/wiki/Kilogramme

D'ailleurs j'ai beaucoup de mal à comprendre quelles unités sont plus fondamentales que les autres là dedans, dans quelle mesure elles dépendent de théories plus ou moins bien corroborées, ni de savoir si pour mesurer certaines constantes cosmologiques, nous n'avons pas par hasard besoin d'utiliser des théories qui présupposent des systèmes d'unités, etc.

Par exemple utiliser la vitesse de la lumière c, arrêtée à 299792458 m/s ainsi que la seconde (vibrations du césium 133) pour définir le mètre me paraît bizarre, car pour mesurer c on a bien utilisé le mètre auparavant, non ?

De même, pour mesurer les vibrations de l'atome de césium 133, je ne suis pas sûr que le moyen par lequel on va mesurer les oscillations sera indépendant des notions de mètre ou de kilogramme, ou de toute autre unité possible et nécessaire aux théories qui permettent de mesurer ces vibrations concrètement ?

C'est un vrai foutoir les unités internationales, il faudrait voir quelle unité doit être plus fondamentale que les autres pour s'appuyer dessus et définir les autres, et quels phénomènes physiques pourraient être choisis afin de construire une sorte de graphe de dépendance des unités les unes par rapport aux autres, sachant que la réfutabilité pourrait très bien venir à bout de certaines lois physiques servant de base aux étalons considérés auparavant comme stables et universels, et que toute mesure (p.ex. la vitesse de la lumière) suppose elle-même une théorie qui utilise elle-même des unités de mesure (p.ex. mètre et seconde) !

Non le système international des unités de mesures n'est pas un "foutoir". On contraire. les choix y sont fait par d'éminents spécialistes. On doit définir une unité de distance, de durée, de masse d'intensité électrique, de température, de quantité de matière et l'intensité lumineuse. Toutes les autres unités possibles et imaginables découlent de ce choix fondamental. Ainsi la vitesse c'est m/s  l'accélération c'est m/s² la force (le Newton) c'est  kg.m/s²....

La nouveauté est de mettre en avant la vitesse de la lumière dans le vide :

299 792 458 m/s dont va découler l'unité de longueur quand on a défiuni la seconde.

Vitesse de la lumière dont certains avaient mis en doute le caractère absolu et universel ou la valeur elle-même (même si cela semble s'être avéré faux par la suite) ! Qui sait de quoi demain sera fait ? En tout cas il n'y a rien de simple à appréhender là dedans. Apparemment en tout cas, à la fois le mètre et le kilogramme (et peut-être d'autres unités ?) dépendent directement de la seconde. Dans le sens où modifier la seconde serait modifier plusieurs autres unités sinon toutes. Je n'ai pas la preuve mais mon intuition me dit que c'est l'unité la plus fondamentale (avec le mètre), puisque ces unités mesurent le temps et l'espace, et que toute mesure peut certainement se réduire directement ou indirectement à une mesure de temps et/ou d'espace, non ?

De plus, construire un dispositif permettant de mesurer les vibrations du césium 133 dans une horloge atomique ne suppose-t-il pas d'autres théories et d'autres instruments eux-mêmes tributaires de la bonne connaissance d'unités préalables ? That is the question!

On voit bien que la précision sur la mesure de c n'est pas infinie et requiert la seconde comme le mètre dans sa mesure, même si les scientifiques ont inversé le problème au cours des années.

Ce que permet de déduire la relativité d'Einstein c'est que la célérité de la lumière c est constante dans le vide.

Mais cette théorie pourrait s'avérer fausse à l'avenir sur ce point, et notre connaissance de c est elle-même de précision finie tout en nécessitant la définition de la seconde et du mètre.

C'est donc le serpent qui se mord la queue et il n'y a pas de solution parfaite.

Il y a 2 heures, Quasi-Modo a dit :

Par exemple utiliser la vitesse de la lumière c, arrêtée à 299792458 m/s ainsi que la seconde (vibrations du césium 133) pour définir le mètre me paraît bizarre, car pour mesurer c on a bien utilisé le mètre auparavant, non ?

Si on définit le mètre à partir de la longueur de la barre de platine étalon et la seconde à partir des fréquences de transition d'électrons autour de l'atome on aura une précision de la vitesse de la lumière entachée de la même erreur que celle de la mesure du mètre étalon qui peut se dilater, se déformer  et dont la longuer n'est connue qu'à 1/1000 mm. On a préféré prendre la vitesse de la lumière avec 9 chiffres et il en découle l'unité de la mesure de longueur avec 9 chiffres exacts !

A mon avis tu perds ton temps à critiquer ce que d'éminents scientifiques ont convenu de bien faire tout en se critiquant entre eux pour trouver la meilleure méthode.

Pour ceux qui veulent aller plus loin :

Voici le graphe de dépendance dont je rêvais, que j'ai piqué dans la présentation de Jun Ye du dernier CGPM de 2018.

A quoi on voit bien que la seconde et le mètre permettent de déduire presque tout le reste.

Il n'y a que le nombre d'Avogadro qui est tout seul.

Et la seconde reste la plus fondamentale des unités.

Source : https://www.bipm.org/documents/20126/43974436/Presentation-CGPM26-Ye.pdf/38561d8e-55e1-e280-5d3e-1449977a05ca

A chaque fois il faut se baser sur une constante cosmologique, qu'on aura forcément mesuré avec des précisions finies et qui devront s'exprimer par des équations avec 3 termes au moins (p.ex. v = d/t pour la relation entre vitesse, distance et temps, marquant la dépendance entre la célérité de la lumière c, la métrique m, et le temps en vibrations de l'atome de césium 133).

On voit donc bien que les définitions qu'on peut donner tournent forcément en rond, parce que quand une unité dépend de la définition instantanée de deux autres, et vice-versa, alors si on va voir la définition de ces deux autres unités décrivant les deux autres grandeurs de l'équation, on va forcément être dans des formes d'auto-référence, comme un dictionnaire qui définirait trois mots, et qui utiliserait chacun des deux autres mots dans la définition du troisième mot.

De plus il faudrait regarder comment historiquement les constantes cosmologiques ont été mesurées, et avec quelle précision, d'autant que comme on le constate, ils sont obligés d'arrêter une valeur arbitraire fixe et normative tous les 4 ans, dont la mesure initiale supposait de même, historiquement, d'admettre implicitement des valeurs données arbitrairement pour les autres unités impliquées, la précision de mesure étant bien entendue finie, et les théories physiques étant susceptibles d'évoluer.

Certaines constantes sont de surcroît susceptibles de disparaître, si on s'aperçoit qu'elles dérivent d'autres alors qu'on l'ignorait jusqu'à présent, ou d'autres peuvent apparaître, comme le dit le premier orateur de la série des vidéos du CGPM.

Il y a 10 heures, Quasi-Modo a dit :

La précision ne serait pas la même !

Une horloge atomique est très précise, jusqu'à 1 pico secondes de précision.

Precision par rapport à quoi ?

Bref elles sont stables a bien mieux que la pico de l’ordre du dixième de femto par seconde 

Il y a 11 heures, Quasi-Modo a dit :

La précision ne serait pas la même !

Une horloge atomique est très précise, jusqu'à 1 pico secondes de précision.

Et puis durant la nuit on ferait comment ?

Pourrait-on restaurer l'état antérieur et normal de la mesure du temps ?

Par définition non. On ferait au pifometre avec ce qui nous reste de plus précis après les horloges atomiques.

Il y a 7 heures, DroitDeRéponse a dit :

Precision par rapport à quoi ?

Bref elles sont stables a bien mieux que la pico de l’ordre du dixième de femto par seconde 

Effectivement, Jun Ye dans son discours de 2018 pense même aller à 10 puissance -20 secondes.

Donc il faudrait plus que le temps de l'univers pour le dérégler d'une seconde lol.

Il y a 6 heures, zebusoif a dit :

Par définition non. On ferait au pifometre avec ce qui nous reste de plus précis après les horloges atomiques.

C'est la bonne conclusion je pense !