Heure

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La mesure précise du temps a servi à la fondation et au développement du Canada. Au cours des deux derniers siècles, on a utilisé des systèmes de mesure du temps hautement sophistiqués pour l'exploration, la cartographie, la navigation et les moyens de transport. La performance des premiers bons chronomètres de marine (stabilité de 0,1 s/jour) a été grandement surpassée par les horloges atomiques au césium (10 milliardièmes de s/jour). Pour les besoins de la navigation, la précision, autrefois de plusieurs kilomètres (selon les conditions) obtenue à l'aide d'un instrument chronométrant la rotation terrestre (environ 10 km/min.), est passé à 10 m grâce au chronométrage de signaux radio (voyageant à 300 000 km/s) contrôlés par des horloges atomiques au césium.

Historique

La mesure précise du temps joue un rôle important au Canada lors de l'exploration , entre 1777 et 1779, de la côte Ouest du Canada par le capitaine James COOK. Afin de déterminer avec précision la longitude pendant son voyage, il demande une copie exacte du prototype de chronomètre de marine révolutionnaire mis au point par John Harrison. Lors de son voyage précédent dans le Pacifique, il en était arrivé à faire confiance à ce modèle plutôt qu'aux trois chronomètres Arnold qu'il avait aussi emportés avec lui. Les chronomètres servent à détailler avec exactitude la cartographie du Canada, ce qui aide à la fondation de l'Amérique du Nord britannique. Les bateaux qui s'équipent de chronomètres s'assurent ainsi d'avoir une traversée plus sécuritaire. À partir du milieu du XIX^e siècle, on met en place des OBSERVATOIRES astronomiques dans les ports canadiens importants (Québec, Saint-Jean, Montréal et Victoria) afin d'aider les marins pour qui l'exactitude de la mesure du temps est capitale (voir ASTRONOMIE).

Dès le début des chemins de fer canadiens, la mesure du temps aide à dresser rapidement les cartes et les relevés ou à planifier les opérations routinières du système de chemin de fer alors en pleine expansion. Dans les années 1880, les chemins de fer commencent à utiliser les FUSEAUX HORAIRES au lieu de l'ancienne pratique qui consistait, pour chaque municipalité, à utiliser sa propre heure solaire moyenne locale.

Au milieu du XIX^e siècle, on commence à coordonner soigneusement l'observation des conditions météorologiques au Canada. Il était alors tout à fait naturel que le Service météorologique coordonne aussi le temps officiel au Canada, un travail qu'il accomplit jusqu'aux années 1930. L'Observatoire fédéral, fondé en 1905, calcule le temps à 0,05 s près grâce à des observations ultra précises consistant à comparer manuellement des horloges à pendule avec la position d'étoiles observées à l'aide d'une lunette méridienne (voir Robert Meldrum STEWART).

Dans les années 20, l'observatoire commence la diffusion de signaux horaires sur ondes courtes. Dans les années 30, il devient le coordonnateur de l'heure officielle au Canada et en 1941, un décret le nomme officiellement la source de l'heure officielle au Canada. Son signal horaire diffusé sur ondes courtes et sur le réseau radiophonique de la SRC fait partie de la routine quotidienne d'un grand nombre de familles et de commerces, ainsi que de celle des gardiens d'horloges et des horlogers partout au Canada (voir HORLOGES ET MONTRES).

Horloge à quartz

En 1941, l'Observatoire fédéral commence à utiliser sa première horloge à quartz. Ces horloges ont une meilleure précision que les horloges à pendule des observatoires dont la précision était de 0,01 s/jour. Au début des années 50, on peut déjà observer et étudier la variation de la période de rotation terrestre, quelques millisecondes par jour, à l'aide des horloges à quartz et des lunettes photographiques zénithales (LPZ) de l'Observatoire fédéral.

Lors des conférences scientifiques internationales, on commence à discuter de l'utilisation d'un nouvel étalon pour le temps, plus uniforme que la rotation terrestre, afin de satisfaire les besoins techniques et scientifiques. Les mouvements orbitaux des planètes et de leurs satellites semblent alors être la seule solution astronomique évidente, bien que ce processus soit encore plus difficile à utiliser que la rotation terrestre. On calcule le taux des lents changements orbitaux à partir des observations astronomiques faites sur plusieurs siècles et liées à l'année commune 1900, aussi dite année tropique (voir CALENDRIER), à l'aide du raisonnement mathématique élaboré par l'astronome néo-écossais Simon Newcombe. Les 50 années d'observations qui suivirent, en particulier l'observation de la LUNE, confirmèrent les résultats de Newcombe.

Horloge atomique

En 1956, on redéfinit la seconde scientifique (SI ou Système International) comme étant un 1/31 556 925,9747^e de l'année tropique 1900.... Seule la seconde scientifique est modifiée. La seconde officielle, utilisée dans la vie quotidienne, demeure un 1/86 400^e du jour solaire moyen. On veut utiliser le raisonnement mathématique de Newcombe et le combiner à l'observation du mouvement des planètes et des satellites afin de surveiller la durée du jour solaire moyen, ce qui servirait ensuite à surveiller l'ensemble des horloges à quartz par l'intermédiaire des télescopes et des LPZ. Cependant, des travaux faits à cette époque mènent à l'invention de l'horloge atomique qui permet de se souvenir beaucoup plus facilement de l'année des chemins de fer, soit 1900. À partir de la fin des années 50, la seconde scientifique est donnée par les horloges atomiques.

Temps Universel Coordonné

Dès le début des années 60, la seconde officielle est calculée pour quelques mois à l'avance, selon des estimations éclairées des variations de la rotation terrestre par rapport à la seconde constante des horloges atomiques. Au besoin, on fait de petits sauts dans le temps, généralement de 1,3 ms (1 ms = 0,001 s) par jour, la correction à la fin de l'année se faisant à l'aide de multiples de 0,1 s. Les horloges atomiques dispersées dans les laboratoires du temps du monde entier servent à coordonner partout dans le monde cette échelle de temps par radio. Au début des années 60, l'heure officielle du Canada commence à utiliser cette échelle de temps, appelée Temps Universel Coordonné (TUC), la réalisation moderne de la référence du fuseau horaire de Greenwich.

Le TUC a été désigné par les astronomes comme faisant partie de la séquence des échelles de temps basées sur la rotation relative de la terre par rapport au soleil moyen au méridien d'origine : TU0, TU1, TU2. L'heure donnée comme TU0 est celle du cadran solaire au méridien d'origine, corrigée selon la différence entre le jour solaire réel et le jour solaire moyen (variation de +/- 15 min.). TU1 est l'heure des marins, optimisée pour déterminer la longitude par l'observation du ciel et corrigée en fonction de l'oscillation des pôles. TU2 introduit une correction supplémentaire pour la variation saisonnière de la rotation de la terre.

Horloge à jet de césium

Le TUC se base sur des horloges à jet de césium qui exploitent les propriétés de stabilité temporelle du magnétisme des atomes de césium. Au départ, ces instruments ne fonctionnent pas continuellement et ne sont utilisés qu'à l'occasion comme étalons de fréquence pour déterminer les fréquences d'un groupe d'horloges à quartz. De 1955 à 1958, une expérience conjointe entre le National Physical Laboratory de Grande-Bretagne et le Naval Observatory aux États-Unis permet d'établir que la nouvelle définition de la seconde, déterminée à partir de l'extrapolation des résultats de l'année 1900, correspond à 9 192 631 770 +/- 20 rotations du magnétisme d'un atome de césium non excité. En raison des incertitudes astronomiques, il n'y aura probablement jamais de mesure meilleure que celle-là. Ainsi les étalons de fréquence utilisant les atomes de césium peuvent reproduire les secondes avec la précision de l'an 1900. Les laboratoires de recherches des pays avancés sur le plan scientifique commencent à construire des étalons de fréquence atomique au césium.

Au Canada, le CONSEIL NATIONAL DE RECHERCHES DU CANADA (CNRC) commence la construction d'un étalon de fréquence atomique au césium en 1957 et, dès 1958, ce dernier devient la référence pour les horloges au quartz du CNRC et de l'Observatoire fédéral. Un étalon de fréquence au césium amélioré le remplace en 1965.

En 1967, la Convention du Mètre redéfinit officiellement la seconde du SI d'après les propriétés de l'atome de césium : « La seconde est la durée de 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 ». Toutefois, on ne cesse pas pour autant d'utiliser la seconde officielle pour mesurer le temps dans la vie quotidienne. Le TUC se base encore sur une approximation du TU2, qui perd 2,6 ms par jour par rapport à la définition scientifique. Le fait d'avoir deux définitions légèrement différentes de la seconde s'avère une source de confusion grandissante et inacceptable. Ainsi en 1972, le TUC s'adapte à la définition scientifique.

En 1972, le Canada remarque le passage vers la mesure du temps à partir d'horloge atomique et déplace son service du temps officiel de l'Observatoire fédéral pour l'unir aux travaux sur les étalons de fréquences atomiques du CNRC. Le changement se répercute sur l'évolution de l'étalon primaire de fréquence, le césium-V, qui devient la première horloge atomique au césium de haute précision du monde et qui commence à fonctionner comme horloge primaire en 1975. Le CNR conçoit et construit de petites horloges sur le même modèle mais qui font seulement la moitié de la longueur du césium-V. Le laboratoire d'étalons allemand Physikalisch-Technischen Bundesanstalt copie cette nouveauté et convertit son étalon de fréquence en horloge. Depuis, l'Allemagne a construit trois nouvelles horloges primaires de haute précision.

Certains pays maintiennent la séparation entre étalons de fréquence et étalons de temps et utilisent seulement à l'occasion, dans leurs laboratoires, les étalons de fréquence atomique au césium au lieu de les utiliser comme horloges. Au CNRC ainsi que dans plusieurs autres laboratoires du temps, les scientifiques tentent d'élaborer un nouveau type d'étalon d'ensemble. Il s'agit d'un groupe de masers à hydrogène continuellement en opération et calibrés régulièrement par un étalon de fréquence de haute précision. Cet étalon est conçu à partir d'atomes de césium, contrôlés par laser, qui n'entrent pas en collision pendant une durée 100 fois supérieure à celle qui intervient dans une horloge atomique au césium traditionnelle.

Au Canada, les masers à hydrogène sont conçus et construits au CNRC, à l'U. Laval et à l'U. de la Colombie-Britannique. Les masers à hydrogène ont une excellente stabilité à court terme. Ils sont utilisés au Canada comme chronomètres précis pour les courtes durées telles que celles correspondant à l'évaluation des étalons de fréquence atomique au césium. Ils sont aussi utilisés avec les systèmes interférométriques à base très longue en astronomie et en géodésie, ainsi que pour l'observation par satellite en géodésie.

Seconde intercalaire

En 1972, le TUC commence à utiliser la seconde uniforme telle que définie à l'aide de l'atome de césium. On comprend maintenant que la rotation de la terre, après sa correction liée à la rotation des pôles, subit un ralentissement à long terme, ce qui allonge la journée d'environ 0,002 s par siècle, des variations aléatoires qui ont changé la durée de la journée de +/- 0,004 s d'une décennie à l'autre et des variations saisonnières qui changent la durée de la journée d'environ 0,002 s. (On observe un ralentissement de la rotation au printemps et une accélération à l'automne.)

Pour que le TUC suive la rotation variable de la terre, à +/- 0,9 s près, une « seconde intercalaire » peut être ajoutée, ou au besoin soustraite, au 1^er janvier ou au 1^er juillet à 0 heure TUC. La diffusion officielle du TUC, établie à partir de la comparaison et de la moyenne d'environ 300 des meilleures horloges atomiques de laboratoires et d'entreprises répartis dans le monde, est maintenant opérée par le Bureau International des Poids et Mesures, situé près de Paris en France et est financée par la Convention du Mètre. Ce bureau s'assure aussi que le TUC représente la meilleure moyenne des quelques horloges atomiques au césium de laboratoire au monde et des étalons de fréquence atomique au césium.

La décision d'insérer une seconde intercalaire revient au Bureau International de la Rotation Terrestre. Cette décision est annoncée six mois à l'avance. En raison du lien étroit qui unit le TUC et le TU1, les signaux du TUC pour le temps officiel peuvent encore répondre aux besoins traditionnels de la navigation astronomique et le Soleil reste à sa position traditionnelle, soit au zénith à midi, au centre de chaque fuseau horaire. Sans la correction apportée par la seconde intercalaire, le Soleil serait au zénith à minuit dans quelques millénaires en raison du ralentissement inexorable de la rotation terrestre sous l'influence des marées.

Certains astronomes, qui n'aiment pas prendre en compte la seconde intercalaire, se sont déclarés favorables à un méridien d'origine flottant, mais personne n'a encore avancé de moyen permettant de mettre en pratique un tel changement.

Échelle de temps

Le TUC est l'échelle de temps préférée et, pour des raisons légales, tous les fuseaux horaires s'y réfèrent. Au Canada, les références au temps moyen de Greenwich sont maintenant interprétées comme des références au TUC. Dans le cadre des théories de la relativité d'Einstein, le TUC est une coordonnée de temps qui peut être convertie en n'importe quelle échelle de temps pour servir les besoins locaux de mesures scientifiques. Les différences officielles entre le TUC et les horloges utilisées est publiée 30 jours après la cueillette des données afin d'aider à maintenir l'indépendance de plus de 300 horloges atomiques. Parmi les pays les plus techniquement avancés, plus de 30 possèdent au moins un laboratoire officiel du temps et des fréquences.

Les laboratoires nationaux, comme le CNRC, ont généralement une horloge capable de prédire à un millionième de seconde près la valeur publiée du TUC et dont la valeur de la seconde diffère de la seconde TUC par seulement quelques parties par 1 X 10¹⁴. Certains de ces laboratoires maintiennent également, au même degré de précision, un étalon primaire indépendant pour la seconde SI, et le TUC est calibré en fonction de cet étalon. Bien que de tels degrés de précision puissent sembler superflus dans la vie quotidienne, ils fournissent une base économique pour les systèmes modernes de navigation, de surveillance et de communication, pour la reconnaissance internationale des mesures de contrôle de la qualité, ainsi que pour les mesures dans des domaines aussi divers que la radioastronomie, la spectroscopie, la géodésie, la mesure de la longueur et du voltage, la diffusion radiophonique ainsi que la fabrication et la vérification des appareils électroniques.

Au moins deux domaines cherchent à atteindre des performances encore meilleures : les réseaux de télécommunication par fibres optiques et l'observation astronomique des pulsars rapides. Les laboratoires de temps essaient maintenant de construire des étalons de fréquence au césium qui utilisent des faisceaux laser pour contrôler les atomes et fournir une précision de 10 à 100 fois supérieure. On travaille également sur d'autres idées qui permettraient d'obtenir une précision encore meilleure dans cette course, longue et fructueuse, pour l'amélioration de la mesure du temps.

Voir aussi: FUSEAUX HORAIRES AU CANADA : TABLE.