Généré en français avec l'IA à partir de notre quiz anglais ; les sources renvoient vers Wikipédia en français.
L'horloge atomique règle son tic-tac sur la fréquence d'une transition atomique, d'une stabilité sans égale. C'est elle qui définit la seconde et fournit les échelles de temps de référence. Ce quiz parcourt son histoire, le fonctionnement de l'horloge à jet de césium, les horloges optiques et leurs records de précision. Il aborde aussi ses usages : temps légal, navigation par satellite, télécommunications et mesure de la gravitation.
Les 30 questions avec réponses et explications. Jouer au quiz
Q 01Au cours de quel siècle l'horloge atomique est-elle apparue ?
XXe
Le premier prototype date de 1949 et, dès 1958, des modèles commerciaux étaient déjà en vente.
Q 02Quelle particule émet le rayonnement dont la fréquence règle une horloge atomique ?
Électron
Ce rayonnement naît du passage d'un niveau d'énergie à un autre ; sa fréquence, pérenne et immuable, garantit l'exactitude et la stabilité du signal produit.
Q 03Que signifie le sigle TAI, échelle de temps maintenue grâce aux horloges atomiques ?
Temps atomique international
Avec le temps universel coordonné (UTC), dont ces horloges assurent la distribution, c'est l'une des deux échelles de temps de référence.
Q 04En quelle année la seconde a-t-elle été définie d'après les vibrations de l'atome de césium ?
1967
La décision a été prise lors de la 13e Conférence générale des poids et mesures ; la seconde est une unité du Système international.
Q 05Sur quel cristal repose l'oscillateur qu'une horloge à jet de césium asservit à ses atomes ?
Quartz
Une boucle d'asservissement le cale en permanence sur un jet d'atomes, refroidis pour permettre leur mesure.
Q 06Quelle unité de fréquence est définie comme l'inverse de la seconde ?
Hertz
La fréquence de la transition du césium est une valeur exacte, car elle sert à définir les deux unités à la fois.
Q 07Combien d'oscillations de la transition de référence du césium forment exactement une seconde ?
9 192 631 770
Cette valeur est exacte par définition ; en 1955, le prototype britannique avait mesuré une fréquence supérieure de 60 cycles.
Q 08À quelle agence spatiale appartient l'horloge PHARAO, mise en orbite en 2025 ?
CNES
Le projet doit permettre de confirmer des prédictions théoriques sur la gravitation, voire de mesurer un tempo différent de celui attendu.
Q 09Dans quelle ville le Bureau international des poids et mesures calcule-t-il le TAI ?
Sèvres
Le calcul fait la moyenne d'environ 500 horloges atomiques (en 2016), réparties dans plus de 70 laboratoires dans le monde.
Q 10Quelle molécule utilisait le premier prototype d'horloge atomique, mis au point dès 1949 ?
Ammoniac
Ce prototype a été développé aux États-Unis par le National Institute of Standards and Technology.
Q 11Où se situe le LNE-SYRTE, le laboratoire qui génère le temps légal français ?
Observatoire de Paris
Ce temps légal repose sur une centaine d'instruments, dont six horloges au césium et plusieurs masers actifs à hydrogène.
Q 12Quel isotope du césium figure dans la définition de la seconde adoptée par la CGPM ?
133
La définition précise que l'atome est au repos, à une température de 0 K, et dans son état fondamental.
Q 13Quel physicien a mis au point, avec Jack Parry, une horloge atomique au NPL en 1955 ?
Louis Essen
Leur prototype battait à 9 192 631 830 cycles par seconde, à dix cycles près, soit une erreur de l'ordre d'une seconde sur 30 ans.
Q 21Au-delà de la structure fine, quelle structure révèle une mesure encore plus poussée ?
Hyperfine
Elle tient à des effets très faibles, comme l'interaction avec le spin du noyau ou l'électrodynamique quantique.
Q 22Dans une horloge à jet de césium, l'asservissement maximise le nombre d'atomes dans quel état ?
Excité
Ces atomes possèdent une énergie notée E2 ; plus ils sont nombreux, plus l'oscillateur est proche de la fréquence visée.
Q 23Quel élément forme le treillis tridimensionnel de l'horloge record du JILA de 2018 ?
Strontium
Cette horloge a atteint pendant 15 secondes une précision de 2,5 × 10⁻¹⁹ seconde par seconde, mieux que les meilleures horloges au césium.
Q 14Dans une horloge à jet de césium, quel dispositif sert à créer le jet d'atomes ?
Enceinte chauffée
Le jet traverse ensuite une cavité résonante, puis un détecteur compte les atomes qui ont changé d'état.
Q 15Combien d'horloges atomiques un satellite GPS embarque-t-il au maximum ?
Quatre
Les satellites du système GLONASS et ceux du programme Galileo emportent eux aussi chacun plusieurs horloges atomiques.
Q 16Quel champ dévie les atomes de césium pour ne garder que ceux dans l'état d'énergie voulu ?
Magnétique
Une seconde déflexion du même type, à la sortie de la cavité, sépare les atomes ayant changé d'état des autres.
Q 17Quel processus fait passer un atome à un état plus stable en émettant de lui-même un photon ?
Émission spontanée
La fréquence du photon émis vaut la différence d'énergie entre les deux niveaux divisée par la constante de Planck.
Q 18Quelle variation d'altitude suffit à influencer la mesure du temps d'une horloge optique ?
30 centimètres
L'effet est gravitationnel : à ce niveau de précision, le césium peut ne plus constituer une référence suffisante.
Q 19La précision d'une horloge atomique dépend du temps que ses atomes passent dans quel élément ?
Cavité micro-onde
Ce temps s'allonge quand les atomes sont refroidis, donc plus lents, et quand la cavité est plus grande.
Q 20Dans quelles structures les horloges à l'ytterbium ou au mercure piègent-elles leurs atomes ?
Treillis optiques
Leurs transitions se font à des fréquences environ 100 000 fois supérieures à celle du césium, d'où une dérive d'une seconde sur l'âge de l'univers.
Q 24Combien coûtaient, en dollars américains, les horloges au césium commercialisées en 1958 ?
20 000
Ces premiers modèles commerciaux sont arrivés seulement trois ans après le prototype du National Physical Laboratory britannique.
Q 25Quel signal produit l'oscillateur, avant multiplication, dans une horloge à jet de césium ?
10 MHz
Une fois multiplié, ce signal pilote un générateur micro-ondes dont la fréquence est voisine de celle de la transition atomique.
Q 26Par quel phénomène les atomes de césium changent-ils d'état dans la cavité de Ramsey ?
Absorption
Plus la fréquence de l'onde injectée est proche de celle de la transition, plus les atomes qui basculent vers l'énergie E2 sont nombreux.
Q 27Une horloge dérivant de 2 × 10⁻¹⁶ s par seconde perd une seconde entière en combien d'années ?
160 millions
C'est la stabilité qu'atteignaient en 2013 les meilleures horloges au césium après plusieurs jours de fonctionnement.
Q 28Quel nombre quantique, noté n, caractérise les états propres des orbitales électroniques ?
Principal
Il détermine la raie maîtresse d'un spectre ; des sous-niveaux, nés notamment de l'interaction spin-orbite, lui donnent sa structure fine.
Q 29Comment s'appelaient les deux satellites de test du système Galileo lancés en 2005 et 2008 ?
GIOVE
L'un emportait une horloge au rubidium, l'autre un maser à hydrogène supplémentaire, référence de temps la plus stable alors envoyée en orbite.
Q 30Comment appelle-t-on la retombée d'un atome vers un état plus stable sans émission de photon ?
Désexcitation non radiative
L'énergie étant conservée, il en résulte soit un échauffement de l'atome, soit un transfert de quantité de mouvement.