Quelle est l’unité SI du temps ?

Sciences · Métrologie

L’essentiel à savoir sur la seconde

La seconde est l’unité de base du temps dans le Système international d’unités, le SI, adopté officiellement en 1960. Elle figure aux côtés du mètre, du kilogramme, de l’ampère, du kelvin, de la mole et de la candela parmi les sept unités fondamentales sur lesquelles repose toute la métrologie moderne. Son symbole, la lettre minuscule s, est invariable et ne prend jamais de point abréviatif.

Ce statut de pierre angulaire n’est pas symbolique. Cinq des six autres unités SI dépendent directement de la seconde dans leur définition. Le mètre se calcule à partir de la vitesse de la lumière exprimée en mètres par seconde. L’ampère utilise la charge élémentaire mesurée en coulombs, eux-mêmes définis comme ampère-secondes. Sans seconde, le SI s’effondre. C’est pourquoi sa réalisation expérimentale concentre tant d’efforts dans les laboratoires nationaux comme le LNE-SYRTE en France ou le NIST aux États-Unis.

Cette définition tient en deux phrases mais elle représente l’aboutissement d’un glissement conceptuel majeur. Pendant des siècles, la seconde fut une fraction du jour solaire moyen, soit 1/86 400. Le problème : la rotation terrestre ralentit, freinée par les marées lunaires, d’environ 1,7 milliseconde par siècle. L’étalon astronomique ne tient plus la route dès qu’on cherche une précision microseconde. Le passage à un étalon atomique en 1967 a réglé ce défaut en ancrant la seconde dans une propriété quantique immuable.

Une définition redéfinie quatre fois en 150 ans

La révision de 2019 a marqué un changement de paradigme. Plutôt que de définir la seconde par référence à un phénomène mesurable, le BIPM a inversé la logique : la fréquence du césium est désormais une constante de la nature à valeur fixée par décret, exactement 9 192 631 770 hertz. Cette inversion garantit que la définition ne sera jamais obsolète, même si une horloge plus précise apparaît. Le mètre, le kilogramme et l’ampère ont subi la même opération en mai 2019.

Seconde astronomique contre seconde atomique

Concrètement, l’horloge atomique au césium fonctionne par résonance micro-ondes. Un four chauffe le césium métallique à 100 °C, libérant des atomes qui traversent une cavité où ils sont irradiés par un signal hyperfréquence. Lorsque ce signal coïncide exactement avec 9,192 GHz, les atomes basculent vers un état excité. Un détecteur compte ces basculements et asservit le quartz oscillateur sur la fréquence parfaite. Le NIST-F1 américain affichait déjà une incertitude de 1,7 × 10⁻¹⁵ en 1999, soit une dérive d’une seconde sur 20 millions d’années.

Pourquoi le césium plutôt qu’un autre atome

Le choix du métal alcalin césium 133 ne doit rien au hasard. Cet isotope est monoisotopique stable, c’est-à-dire que tout césium naturel est du césium 133, sans contamination par d’autres masses atomiques. Son point de fusion bas, 28,5 °C, facilite la production d’un faisceau atomique. Sa fréquence de transition hyperfine est suffisamment élevée pour offrir une bonne résolution mais reste accessible aux générateurs micro-ondes courants des années 1950, où la décision a été préparée.

L’avenir bouscule pourtant cet édifice. Depuis 2018, des horloges optiques à strontium ou ytterbium battent au rythme de 429 228 004 229 873,2 Hz pour le strontium, soit 100 000 fois plus vite que le césium. Le JILA, à Boulder, a atteint 2,5 × 10⁻¹⁹ pendant 15 secondes avec un treillis tridimensionnel d’atomes. Le BIPM a entamé une réflexion pour redéfinir la seconde sur une transition optique d’ici 2030, mettant fin à 60 ans de règne du césium.

La seconde dans la vie courante et la culture

L’enjeu n’est pas qu’académique. Le GPS doit sa précision métrique à la seconde atomique : chaque satellite embarque une horloge au césium ou au rubidium synchronisée à la nanoseconde près. Une dérive d’une microseconde décale la position de 300 mètres. Internet repose aussi sur le protocole NTP qui aligne les serveurs sur l’UTC, le temps universel coordonné maintenu par le BIPM grâce à 450 horloges réparties dans 80 laboratoires.

La culture pop a saisi cet imaginaire. Le film Tenet de Christopher Nolan en 2020 joue avec l’inversion temporelle. La vitesse de la lumière elle-même, 299 792 458 m/s, est désormais une définition circulaire : elle dépend de la seconde, qui dépend du césium. Cette dépendance interne du SI est ce qui le rend si robuste : tant que les lois physiques tiennent, les unités tiennent.

Questions fréquentes sur la seconde et le temps SI

Pourquoi la seconde est-elle l’unité de base du temps ?

Le choix remonte à 1832, quand Carl Friedrich Gauss a proposé un système d’unités MKS basé sur le mètre, le kilogramme et la seconde. La seconde a été retenue parce qu’elle correspondait à une fraction commode du jour, le 86 400e, et qu’elle était mesurable avec les pendules de l’époque. Le SI a hérité de ce choix en 1960.

Quelle est la différence entre temps et durée ?

Le temps désigne une grandeur physique abstraite mesurable, tandis que la durée est l’intervalle entre deux instants. La seconde mesure la durée : un événement dure 5 secondes, et non 5 secondes de temps. En métrologie SI, la grandeur officielle est notée t et son unité est s.

Comment fonctionne une horloge atomique au césium ?

Un four chauffe du césium 133 à 100 °C, libérant un faisceau d’atomes. Ces atomes traversent une cavité de Ramsey où un oscillateur micro-ondes les irradie à 9,192 GHz. Quand la fréquence est juste, les atomes basculent vers un état excité. Un détecteur compte ces basculements et asservit l’oscillateur sur la fréquence exacte définissant la seconde.

Pourquoi le césium 133 et pas un autre élément ?

Le césium 133 est le seul isotope naturel du césium, ce qui élimine les contaminations isotopiques. Sa fréquence de transition hyperfine, dans les micro-ondes, était techniquement accessible dès les années 1950. Son point de fusion bas, 28,5 °C, facilite la production d’un faisceau atomique propre, contrairement à des éléments réfractaires.

Existe-t-il des unités de temps plus précises que la seconde ?

Pas dans le SI : la seconde reste l’unité de base et toutes les autres en dérivent. Les sous-multiples comme la milliseconde, la microseconde, la nanoseconde et l’attoseconde sont obtenus par préfixes décimaux. Une attoseconde vaut 10⁻¹⁸ seconde, durée dans laquelle on étudie aujourd’hui les mouvements électroniques en physique.

Qu’est-ce qu’une seconde intercalaire ?

C’est une seconde ajoutée ou retranchée à l’UTC pour le maintenir aligné sur la rotation terrestre, qui ralentit lentement. Depuis 1972, 27 secondes intercalaires ont été insérées, toutes positives. La 27e CGPM a décidé en 2022 de supprimer ce mécanisme à l’horizon 2035 pour éviter les bugs informatiques.

La seconde va-t-elle être redéfinie un jour ?

Le BIPM travaille sur une redéfinition basée sur les transitions optiques du strontium ou de l’ytterbium, 100 000 fois plus rapides que celles du césium. Cette refonte est attendue autour de 2030. La valeur de la seconde resterait la même, seul l’étalon changerait, comme cela s’est produit pour le mètre en 1983.

Combien de secondes y a-t-il dans une journée ?

Une journée standard compte exactement 86 400 secondes : 24 heures × 60 minutes × 60 secondes. Cette valeur est strictement fixe dans le SI. Un jour solaire moyen astronomique varie en revanche autour de cette valeur de quelques millisecondes, ce qui justifie les ajouts de secondes intercalaires.

Qui décide officiellement de la définition de la seconde ?

La Conférence générale des poids et mesures, ou CGPM, organe suprême du Bureau international des poids et mesures. Elle se réunit tous les quatre ans à Sèvres et regroupe les États signataires de la Convention du Mètre de 1875. La définition actuelle a été adoptée par la 26e CGPM en 2018, effective au 20 mai 2019.