Pourquoi Avons-Nous Besoin D’Horloges Atomiques Super Précises?
(Inside Science) – Le récepteur GPS de votre voiture ou de votre téléphone portable fonctionne en écoutant les satellites diffuser leur heure et leur emplacement. Une fois que le récepteur a « acquis » quatre satellites, il peut calculer sa propre position en comparant les signaux. Étant donné que les signaux sont diffusés à l’aide de micro-ondes qui se déplacent à la vitesse de la lumière, une erreur d’un millionième de seconde sur une horloge satellite GPS pourrait vous mettre à un quart de mile de la trajectoire.
Heureusement, les horloges atomiques des satellites GPS, en raison de leur incroyable stabilité et de leur synchronisation régulière, maintiennent une erreur de moins de 1 milliardième de seconde.
Aujourd’hui, les meilleures horloges sur lesquelles travaillent les scientifiques peuvent faire encore mieux more plus d’un million de fois mieux par certaines mesures. Ces horloges absurdement bonnes peuvent permettre de nouvelles applications aussi inimaginables que le GPS l’était autrefois, allant de la prédiction des tremblements de terre à la découverte d’une physique entièrement nouvelle.
Pourtant, toutes les horloges hautes performances ne sont pas égales – il existe une gamme de conceptions, et certaines horloges à la pointe de la technologie sont mieux adaptées à des applications particulières que d’autres. Pour comprendre pourquoi – et pour comprendre les performances d’une horloge plus généralement – il faut d’abord comprendre deux concepts de base en statistique : la précision et la précision.
Flèches et ticks d’horloge
Imaginez un archer qui a tiré dix flèches. Dans ce scénario, la précision est une mesure des positions des flèches les unes par rapport aux autres et la précision est une mesure de leurs positions par rapport à la cible. Un archer précis n’est pas nécessairement un archer précis, et vice versa.
Copyright American Institute of Physics (informations de réimpression)
La précision d’un archer est analogue à un concept appelé stabilité de l’horloge. Si l’on considère chaque tick de l’horloge comme un coup de feu et que frapper la cible comme gardant le bon moment exact entre chaque tick, alors une horloge précise mais pas précise tiquerait systématiquement plus lentement ou plus rapidement que la durée souhaitée. D’un autre côté, une horloge précise mais imprécise tiquerait parfois plus vite et parfois plus lentement, mais les erreurs accumulées seraient en moyenne quelque peu au fil du temps.
« Il y a beaucoup d’applications qui n’ont besoin que d’une très bonne stabilité, et puis il y a une gamme d’applications où la stabilité ne suffit pas, et vous avez également besoin de précision », a déclaré Andrew Ludlow, physicien du National Institute of Standards and Technology à Boulder, Colorado.
Les systèmes de télécommunication et de navigation nécessitent généralement des horloges stables, mais ils n’ont pas besoin d’être très précis, a-t-il déclaré. D’autre part, les horloges atomiques que les physiciens utilisent pour définir une seconde doivent également être très précises.
Un flou naturel
Actuellement, la stabilité des horloges est généralement limitée par des accrochages expérimentaux, tels que les technologies laser dans les horloges optiques. Mais disons que nous pouvons construire une horloge sans limites technologiques, il va encore y avoir une instabilité fondamentale associée à l’horloge, liée par les lois de la physique quantique, données par cette équation.
Sur le côté gauche, nous avons la stabilité, qui est sans unité, comme dans une valeur σ de 0.1 signifierait une incertitude de dix pour cent pour votre mesure. Cette stabilité est déterminée par les paramètres du côté droit, comme décrit ci-dessous.
- ω : la fréquence de « tic-tac » de la source de mesure du temps mesurée en cycles par seconde, ou hertz (Hz). Pour un atome de césium 133 qui émet un rayonnement avec 9 192 631 770 cycles toutes les secondes, le nombre serait de 9 192 631 770 Hz;
- N: le nombre de « chronomètres », par exemple le nombre total d’atomes de césium utilisés par l’horloge;
- t: le temps de cycle, qui est la longueur de chaque mesure pour un nombre prédéterminé de « ticks » en fonction de la conception de l’horloge. Par exemple, si une horloge est conçue pour enregistrer un point de données toutes les secondes, alors t vaut simplement 1 seconde.
- m : le nombre total de mesures pendant l’expérience. Par exemple, si la durée de l’expérience est d’une minute et que l’horloge enregistre un point de données toutes les secondes, alors m sera de 60.
Maintenant, testons cela avec quelques chiffres. Pour une horloge qui garde le temps en mesurant un phénomène quantique qui se produit mille billions de fois par seconde, ω serait de 1015 Hz, et si elle compte pour une seconde à chaque fois qu’elle sonde le phénomène, alors t serait de 1 seconde. Pour N, nous pouvons supposer la valeur de 1 000, et pour m, nous pouvons utiliser 86 400, le nombre total de secondes par jour.
Pour une mesure d’une journée, l’incertitude liée à la stabilité de notre horloge théorique serait (1,71 x 10-20) x 86 400 s = 1.5 x 10-15 s, ou 1,5 femtosecondes.
Comme ce flou naturel de l’horloge est directement lié à la conception de l’horloge, on peut en théorie continuer à améliorer la stabilité en rendant le dénominateur le plus grand possible. Cela peut être fait en choisissant de mesurer un phénomène naturel qui se produit à une fréquence très élevée et régulière, conduisant à un ω plus grand, ou de mesurer plus de sources simultanément, conduisant à un N plus grand.
Chacun de ces choix présente ses propres défis technologiques uniques, qui vous mettent parfois en contradiction avec l’autre diable dans le détail accuracy la précision.
Contrairement à l’équation universelle pour calculer le niveau de bruit quantique dictant la stabilité d’une horloge, la précision d’une horloge – ou en d’autres termes, la mesure dans laquelle son taux de tic-tac correspond aux attentes – peut être affectée par une liste interminable d’interactions avec son environnement.
Quel est le problème de définir un jour comme day un jour?
Une seconde est actuellement définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes du rayonnement micro-ondes à partir d’une transition spécifique d’un électron flottant à l’intérieur d’un atome de césium 133 à une température de 0 K.
Quelle définition maladroite, vous pouvez penser. Comment se fait-il que nous ne puissions pas définir la seconde de manière plus intuitive, comme dans un soixantième de minute, qui est un soixantième d’heure, qui est un vingt-quatrième d’un jour, qui est défini par une rotation complète de la Terre?
Aussi pédant que cela puisse paraître, la durée d’une journée sur Terre n’est pas assez cohérente pour les applications scientifiques et technologiques modernes. Chaque fois qu’il y a un tremblement de Terre, ou une frappe de météorite, ou même un nouveau barrage en construction, la longueur d’un jour terrestre changerait d’une fraction de seconde. Par exemple, la force de marée de la Lune allonge notre journée de quelques nanosecondes chaque jour.
« Les champs magnétiques et les champs électriques, par exemple, peuvent perturber le taux de tic-tac de l’horloge, mais l’effet dépend des détails de l’horloge », a déclaré Ludlow. « Nous pouvons proposer des modèles pour essayer de comprendre leur impact sur les horloges, mais ils ne sont en aucun cas universels. »
Le barrage de facteurs externes qui peuvent faire dériver une horloge super sensible plus ou moins vite au fil du temps peut, à première vue, sembler une nuisance. Mais si nous pouvons assez bien comprendre ces effets, ils détiennent en fait la clé de nouveaux mondes d’applications.
L’horloge inexacte d’un homme est le trésor d’un autre
Voyageant à environ 8 700 km/h dans notre ciel, les satellites GPS se déplacent suffisamment vite pour que la théorie de la relativité restreinte d’Einstein ait un effet notable sur leurs horloges, les ralentissant de 7 microsecondes chaque jour.
Cependant, parce qu’ils voyagent à une altitude de plus de 12 000 miles, la gravité plus faible subie par les satellites GPS fait également accélérer les horloges de 45 microsecondes chaque jour, comme prédit par, vous l’aurez deviné, Einstein encore. Cette fois par sa théorie de la relativité générale.
Voici, par rapport aux horloges sur Terre, les horloges à bord des satellites GPS accélèrent en effet de (45 – 7) = 38 microsecondes. Chacun. Seul. Jour.
Comme ces horloges sont assez bonnes pour que nous puissions considérer les effets de facteurs externes tels qu’un changement de gravité, nous pouvons les utiliser pour mesurer ces effets just tout comme la façon dont les archers professionnels peuvent dire de quelle façon le vent soufflait en regardant où leurs flèches ont atterri.
Par exemple, un réseau d’horloges super stables devrait être capable de détecter des ondes gravitationnelles à des fréquences inaccessibles aux interféromètres laser, actuellement le seul instrument suffisamment sensible à ces minuscules ondulations dans l’espace-temps. Une horloge avec une stabilité de 10-20 serait en mesure de donner aux détecteurs gravitationnels spatiaux prévus une course pour leur argent. Une horloge haute performance peut également être capable de détecter de minuscules changements gravitationnels profondément souterrains qui signalent des conditions mûres pour un tremblement de terre ou une éruption volcanique.
Les scientifiques utilisent déjà ces horloges super stables et précises pour rechercher une physique entièrement nouvelle. Par exemple, ils testent si les constantes fondamentales sont effectivement constantes et offrent de nouvelles pistes pour étudier le puzzle de la matière noire et de l’énergie noire qui dure depuis des décennies.
Note de la rédaction (12 septembre 2019): Cette histoire a été modifiée pour corriger l’emplacement du bureau du NIST où travaille Andrew Ludlow.