Cet article est partagé par notre collègue Serge Collin, député et étudiant tenace de divers sujets, l’un d’eux est son intérêt pour cette question de la mesure du temps et il nous invite à regarder cette vidéo que je vous retranscrirai ci-dessous.

Fragmento de la Transcripción

Bienvenidos a esta sesión de este curso conferencia del Colegio de Bélgica, estimados oyentes y estimadas oyentes. La conferencia de hoy será impartida por la profesora De Frigne y se centrará en la realización de la medida del tiempo en Bélgica en el Real Observatorio de Bélgica.

¿Se podría sugerir una mejor fecha que el 29 de febrero para resaltar la complejidad y los ajustes necesarios de una medida del tiempo que nos parece evidente?

Es algo tan familiar y está integrado en todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, pero imaginen por un instante la dificultad que representaría para nosotros la ausencia de una notificación rigurosa del tiempo que pasa. De hecho, nuestra percepción del tiempo es subjetiva; por ejemplo, fascinados por una conferencia del Colegio de Bélgica, no nos damos cuenta de cómo pasa el tiempo.

Además, el tiempo nos parece pasar cada vez más rápido a medida que envejecemos, lo que nos ayuda a comprender las razones del funcionamiento cerebral relacionadas con esta percepción. Sin embargo, la impaciencia nos hace percibir el tiempo como si fluyera lentamente, y el tiempo parece durar mucho para aquellos nacidos el 29 de febrero, quienes tienen que esperar cuatro veces más que nosotros para celebrar su cumpleaños.

Y para complicar aún más las cosas, algunos dirán que hay que dejar que el tiempo pase, es decir, añadir variabilidad a la variabilidad. Algunos dirán que no es la vida la que es corta, sino que el tiempo pasa rápido; otros dirán, sin embargo, que no sería el tiempo que pasa, sino nosotros quienes lo atravesamos.

En fín, si nuestra percepción del tiempo fuese la referencia para organizar nuestras actividades sociales, correríamos el riesgo de carecer de eficiencia. Imaginen un tren que sale de la estación a las 7:26 sin medidas precisas y compartidas entre los usuarios y la SNCB; tendríamos muchas probabilidades de perder nuestro tren.

Bueno, tal vez no, pero esa es otra historia. Ahora, voy a presentarles a la profesora De Frigne. En principio, el profesor Dean debería haberla presentado, pero debido a un conflicto de agenda, les pide disculpas por no poder estar presente hoy.

La profesora De Frigne es matemática y doctora en ciencias físicas de la Universidad Católica de Lovaina; es jefa de proyecto en el Real Observatorio de Bélgica y responsable del laboratorio de tiempo y frecuencia, que proporciona la hora exacta en Bélgica.

La señora De Frigne se interesó, en primer lugar, en la modelización de los movimientos de convección en el interior de la Tierra y sus impactos en las variaciones de la rotación terrestre. Luego orientó su investigación hacia la metrología en relación con los sistemas de navegación por satélite. Además, pertenece a numerosas organizaciones internacionales, como el Galileo Science Advisory Group, que asesora a la Agencia Espacial Europea, o el Comité Consultivo de Tiempo y Frecuencia, del que se apoya el Buró Internacional de Pesas y Medidas.

También hay que mencionar su responsabilidad científica en el Comité Internacional de Sistemas de Navegación Global de las Naciones Unidas. La señora De Frigne es también miembro del grupo de trabajo que se ocupa de la redefinición del segundo, un concepto del que probablemente nos hablará. Es autora de más de 70 publicaciones científicas y ha realizado numerosas presentaciones internacionales; tanto sus presentaciones como su investigación han recibido un amplio eco.

El Colegio de Bélgica agradece profundamente a la señora De Frigne por haber aceptado presentarnos esta conferencia esta noche. Les pido aplausos.

Muchas gracias Sra. Tomberg por esta agradable introducción y gracias a todos por venir y gracias al Collège Belgique y a la Académie royale des sciences des lettres et des beauards por la invitación a compartir esta noche algunas de mis investigaciones en relación a la medición del tiempo así que efectivamente estamos en el 29 de febrero que todavía no es una fecha que pase tan seguido, aunque todavía es cada 4 años y por lo tanto tal vez sea una pequeña oportunidad para recordar dónde está esta cultura o esta necesidad del 29 de febrero viene de nuestro calendario originalmente basado en el calendario romano.

Ya estamos hablando de varios siglos antes de Jesucristo el cual ya estaba establecido en 12 meses entonces era un calendario lunar es decir que la total duración del año tenía exactamente 12 lunaciones entonces eso hace 355 días pero bueno, los romanos obviamente se habían dado cuenta de que esto no correspondía a un año y por lo tanto regularmente agregaron un mes intercalado que era un mes de 22 o 23 días y que intercalaron entre el 23 y 24 de febrero que era en ese momento el último mes del año porque el año comenzaba en marzo en honor al dios de la guerra y así, finalmente tuvimos años en total, lo que nunca hizo que los 365 días fueran tan largos como un año, especialmente porque además este mes intercalario lo introdujimos o no o lo introdujimos dos veces dependiendo de si queríamos que un reinado durara más o menos o así…

Era un poco caótico y Julio César quería poner un poco de orden en todo lo que llamó a este gen de Alejandría que finalmente está aquí para hacerle una propuesta que ya sabía que el año, es decir una revolución completa de la Tierra alrededor el Sol, duró 365 días y 6 het por lo que, naturalmente, propuso agregar un día cada 4 años para hacer años de 365 días, pero agregamos un día cada 4 años para compensar estas 6 horas que en realidad son un cuarto de un día por año y este día adicional siempre se agregaba entre el 23 y 24 de febrero y de aquí también viene la palabra salto ya que de hecho agregamos duplicamos el día 23 entonces bis 6 días antes del calendario en marzo.

Es decir el 1er día de marzo y por lo tanto bis por dos veces y sexto por los 6 días anteriores al mes de marzo entonces también fue Julio César quien decidió iniciar el año en enero en lugar de marzo porque era la entrada en funciones de los cónsules y por lo tanto correspondía mejor al año calendario o la organización de la sociedad entonces obviamente con estos años regulares anteriores era necesario recalibrar en alguna parte y Julio César decidió que era necesario recalibrar el equinoccio de primavera al 25 de marzo, me refiero al 25 en este momento.

Para eso, bueno hizo que un año durara 4445 días y finalmente llegamos al año que hoy prácticamente conocemos ahora resulta que en realidad la Tierra no gira en 365 días y 6 horas sino en 365 días y 5 horas 48 minutos y 45 segundos y por lo tanto con el tiempo notamos que la fecha de Pascua que corresponde a la primera lunación que sigue al equinoccio de primavera de hecho el equinoccio se desplazó gradualmente hacia el verano por lo tanto la fecha de Pascua también y bien dijo el Papa Gregorio que era necesario poner fin a esto para que la fecha de Pascua permaneciera bien alineada con el equinoccio y por eso llamó a un jesuita alemán Christophorus Clavius ​​​​quien le hizo la propuesta de tener un año que coincida más con el promedio, a largo plazo, con la revolución de la Tierra alrededor del Sol, ya no hacemos un año bisiesto cuando estamos en un siglo cuyo número no se divide por 400, por lo que este es el sistema que tenemos actualmente, por lo que 1900, por ejemplo, no era año bisiesto, mientras que 2000 fue porque 2000 es divisible por 400, por lo que desde la era juliana en realidad habíamos acumulado 14 días, pero durante el primer cónsul en 325, observamos que la primavera el equinoccio cayó el 21 de marzo y no el 25, como quería Julio César.

La réalisation de la mesure du temps

Le Serge Collin résume ainsi les détails de ce qui a été présenté lors de la conférence

L’heure de référence au niveau international est le temps universel coordonné (UTC) qui est une moyenne d’environ 500 horloges atomiques réparties dans le monde dans divers laboratoires.

En fait il n’existe pas en temps réel; on ne peux pas dire maintenant quelle heure il est en UTC, parce qu’en fait on laisse fonctionner les horloges en continu et, à la fin du mois, on collecte les mesures de toutes horloges. Ces mesures sont alors envoyées au Bureau international des poids et mesures à Paris. Celui-ci est responsable de toutes les unités de mesure et va calculer la moyenne de toutes les horloges. Ensuite, cette moyenne sera transmise à tous les laboratoires. On ne connaît donc l’UTC qu’à posteriori, à la fin du mois.

Le Bureau International des Poids et Mesures va également envoyer comme information la différence entre l’UTC du laboratoire et l’UTC vrai. A ce moment-là, on peut voir si la réalisation locale du laboratoire est en train de s’écarter de l’UTC vrai ou si elle reste tout à fait alignée avec lui. Dans le cas où un écart est constaté et que l’on n’est plus aligné sur l’UTC, on effectue une petite correction au niveau de l’horloge pour se réaligner. La précision atteinte est de l’ordre de quelques nanosecondes (milliardièmes de second).

A partir de 1967 on a redéfini la seconde sur base de l’atome de césium comme étant la durée des 962631770 période de radiation lors de la transition entre les deux niveaux d’énergie hyper-fins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 qui est donc excité dans les horloges atomiques.

En pratique, dans une horloge atomique, on va chauffer les atomes de césium pour qu’ils puissent se propager aisément dans le dispositif de l’horloge. La transition d’état consiste à modifier le moment magnétique et donc l’orientation magnétique de l’atome. A l’aide d’un aimant on va pouvoir sélectionner uniquement les atomes qui sont dans le niveau d’énergie inférieur et on va les envoyer dans une cavité où on va les exciter avec un rayonnement qui a une fréquence donnée par un oscillateur à quartz. Si cette fréquence est proche de la définition de la seconde et de la fréquence qu’il faut pour que l’atome change de niveau d’énergie, alors les atomes vont passer à un niveau d’énergie supérieur.

Par contre si on est avec une fréquence beaucoup trop éloignée de la fréquence adéquate, rien ne va se passer et le niveau d’énergie des atomes va demeurer inchangé.

A la sortie de la cavité, on place à nouveau un aimant qui va attirer uniquement les atomes qui sont dans le niveau d’énergie supérieur. Grâce à cette détection, on va pouvoir contrôler si, en fait, les atomes ont tous bien changé de niveau d’énergie ou bien pas du tout

Ainsi, on va pouvoir régler la fréquence de l’excitation pour avoir en permanence un maximum d’atomes excités à la sortie de la cavité.

Il existe d’autres types d’horloge qui permettent notamment des précisions ou des exactitudes accrues par rapport à l’horloge à césium qui vient d’être décrite comme, par exemple, la fontaine à césium.

Cependant, si notre journée compte 24 h qui comprennent chacune 3600 secondes, la rotation de la terre s’effectue moins vite et les horloges atomique sont en avance par rapport à l’heure solaire. Pour synchroniser les deux, on bloque donc régulièrement les horloges atomiques pendant une seconde afin que la terre rattrape son retard.

Malheureusement, cette façon de faire convient très mal aux systèmes informatiques qui travaillent avec des minutes de 60 secondes et, introduire une minute de 61 secondes, de temps en temps, est très complexe voire catastrophique

C’est pourquoi, le Bureau International des Poids et Mesures réfléchit à une autre manière de procéder. Un façon de faire serait de laisser l’horloge atomique s’écarter pendant plus longtemps de l’horloge “terre”.

Mentionnons que tous les satellites disposent à leur bord de plusieurs horloges atomiques. Ainsi chacun des satellites de la constellation Galileo dispose de quatre horloges, deux fonctionnant avec de l’hydrogène et deux avec du rubidium. 

Les satellites GNSS sont très utiles car ils offrent un outil de comparaison tout à fait performant. Puisque ils ont à bord des horloges atomiques, à partir du signal émis par le satellite vers la terre, on peut calculer la différence entre le temps donné par une horloge atomique situé sur terre et le temps donné par l’horloge du satellite. Si on pratique la même opération avec une horloge terrestre voisine et le même satellite, on déduit l’écart entre l’horloge du voisin et notre horloge.

Pour terminer, nous allons aborder un futur mais déjà bien présent : c’est la redéfinition de la seconde dont la définition date de 1967. On est en train de préparer la suivante.

Il faut savoir que la majorité des horloges atomiques travaillent avec des fréquences qui se situent dans le domaine des micro-ondes. Mais depuis une trentaine d’années, on développe des horloges qui travaillent dans le dans les fréquences optique. Ces fréquences sont supérieures aux fréquences micro-onde et, donc, on aura plus de cycles encore par seconde, ce qui permet une définition plus précise. Différents atomes et différentes transitions sont déjà à l’étude dans différents laboratoires. On pense au strontium, à l’hyperbium soit à l’état neutre soit ionisé. Dans ce type d’horloge atomique on travaille à ce moment-là avec de la lumière et donc ce n’est plus un rayonnement micro-ondes qui est envoyé dans une cavité mais carrément un rayonnement laser. On le fera interagir avec des atomes ou des ions.

La nouvelle définition de la seconde sera donc basée sur l’utilisation de la fréquence optique qui offre une précision accrue.

La realización de la medición del tiempo

La hora de referencia internacional es el Tiempo Universal Coordinado (UTC), que es un promedio de alrededor de 500 relojes atómicos ubicados en todo el mundo en varios laboratorios.

De hecho, no existe en tiempo real; Ahora no podemos decir qué hora es en UTC, porque de hecho dejamos que los relojes funcionen continuamente y, a final de mes, recopilamos las medidas de todos los relojes. Luego, estas medidas se envían a la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en París. Este es responsable de todas las unidades de medida y calculará el promedio de todos los relojes. Luego, este promedio será transmitido a todos los laboratorios. Por lo tanto, solo conocemos el UTC de forma retrospectiva, a final de mes.

La Oficina Internacional de Pesas y Medidas también enviará como información la diferencia entre el UTC de laboratorio y el UTC verdadero. En este punto, podemos ver si la realización del laboratorio local se está desviando del UTC verdadero o si permanece completamente alineado con él. En el caso de que se note una desviación y ya no estemos alineados con UTC, hacemos una pequeña corrección al reloj para realinearlo. La precisión conseguida es del orden de unos pocos nanosegundos (milmillonésimas de segundo).

A partir de 1967, el segundo se redefinió basándose en el átomo de cesio como la duración del período de radiación 962631770 durante la transición entre los dos niveles de energía hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133, que por tanto se excita en los relojes atómicos.

En la práctica, en un reloj atómico, calentaremos los átomos de cesio para que puedan propagarse fácilmente dentro del dispositivo del reloj. La transición de estado consiste en modificar el momento magnético y por tanto la orientación magnética del átomo. Usando un imán podremos seleccionar sólo los átomos que están en el nivel de energía más bajo y los enviaremos a una cavidad donde los excitaremos con una radiación que tiene una frecuencia dada por un oscilador de cuarzo. Si esta frecuencia se acerca a la definición de segundo y a la frecuencia que tarda el átomo en cambiar de nivel de energía, entonces los átomos se moverán a un nivel de energía más alto.

En cambio, si estamos con una frecuencia demasiado alejada de la adecuada, no pasará nada y el nivel de energía de los átomos permanecerá inalterado.
A la salida de la cavidad, volvemos a colocar un imán que atraerá sólo los átomos que se encuentran en el nivel de energía superior. Gracias a esta detección podremos comprobar si, efectivamente, todos los átomos han cambiado de nivel de energía o no.

Así, podremos ajustar la frecuencia de excitación para tener permanentemente un máximo de átomos excitados a la salida de la cavidad.

Existen otros tipos de relojes que permiten en particular una mayor precisión o exactitud con respecto al reloj de cesio recién descrito, como por ejemplo la fuente de cesio.

Sin embargo, si nuestro día tiene 24 horas, cada una de las cuales incluye 3600 segundos, la rotación de la Tierra se produce más lentamente y los relojes atómicos se adelantan al tiempo solar. Para sincronizarlos, bloqueamos regularmente los relojes atómicos durante un segundo para que la Tierra los alcance.

Desafortunadamente, esta forma de hacer las cosas es muy inadecuada para sistemas informáticos que funcionan con minutos de 60 segundos y, introducir un minuto de 61 segundos, de vez en cuando, es muy complejo o incluso catastrófico.

Por eso la Oficina Internacional de Pesas y Medidas está considerando otra forma de proceder. Una forma de hacerlo sería dejar que el reloj atómico se desvíe del reloj «terrestre» durante más tiempo.

Tenga en cuenta que todos los satélites tienen varios relojes atómicos a bordo. Así, cada uno de los satélites de la constelación Galileo tiene cuatro relojes, dos de ellos funcionan con hidrógeno y dos con rubidio.

Los satélites GNSS son muy útiles porque ofrecen una herramienta de comparación muy eficaz. Como llevan relojes atómicos a bordo, a partir de la señal que emite el satélite hacia la Tierra, podemos calcular la diferencia entre la hora que da un reloj atómico situado en la Tierra y la hora que da el reloj del satélite. Si realizamos la misma operación con un reloj terrestre vecino y el mismo satélite, deducimos la diferencia entre el reloj del vecino y el nuestro.

Para terminar, vamos a abordar un futuro que ya está muy presente: es la redefinición de la segunda, cuya definición data de 1967. Estamos en proceso de preparación de la siguiente.

Debes saber que la mayoría de relojes atómicos funcionan con frecuencias que se encuentran en el rango de las microondas. Pero desde hace unos treinta años desarrollamos relojes que funcionan en el modo de Secuencias ópticas.

Estas frecuencias son superiores a las de las microondas y, por tanto, tendremos aún más ciclos por segundo, lo que permite una definición más precisa. En diferentes laboratorios ya se están estudiando diferentes átomos y diferentes transiciones.

Pensamos en el estroncio, el hiperbio, ya sea en estado neutro o ionizado. En este tipo de reloj atómico trabajamos con luz y, por lo tanto, ya no es radiación de microondas la que se envía a una cavidad, sino radiación láser. Lo haremos interactuar con átomos o iones.

Por tanto, la nueva definición del segundo se basará en el uso de la frecuencia óptica que ofrece una mayor precisión.