Seconde

La seconde est l’unité de base du temps dans le SI. Actuellement définie (depuis 1967) comme 9 192 631 770 oscillations du rayonnement émis par une transition spécifique dans l’atome de césium-133 à zéro absolu, état fondamental.

Définitions historiques :

• Avant 1956 : 1/86 400 d’un jour solaire moyen. Liée à la rotation de la Terre, qui est irrégulière.
• 1956-1967 : 1/31 556 925,9747 de l’année tropique 1900. A résolu le problème de l’irrégularité de la rotation mais reste arbitraire.
• 1967 à aujourd’hui : définition par horloge atomique au césium-133 ci-dessus.

Les horloges atomiques modernes (l’ensemble du BIPM, le NIST-F2 du NIST) sont précises à environ une partie sur 10¹⁶ — suffisamment pour qu’elles gagnent ou perdent moins d’une seconde sur l’âge de l’univers. Les horloges Cs-133 sont maintenant complétées par des horloges à réseau optique encore plus précises (une partie sur 10¹⁸ ou mieux), qui pourraient constituer la base d’une future redéfinition.

La seconde est l’unité SI la plus fondamentale en termes pratiques : le mètre est défini en termes de temps de parcours de la lumière, le kilogramme en termes de constante de Planck qui implique le temps, et la plupart des mesures modernes dépendent en fin de compte d’une mesure précise du temps.

Pour les conversions de date/heure et le concept connexe des secondes intercalaires, consultez nos outils de date et heure.

Les horloges à réseau optique et la redéfinition imminente : la définition au césium-133 de 1967 a fixé la seconde à une précision d’environ 10⁻¹⁶, ce qui était l’état de l’art à l’époque. Les horloges à réseau optique au strontium et à l’ytterbium construites depuis 2014 (NIST, JILA, RIKEN, PTB) démontrent maintenant une précision de ~10⁻¹⁸ — 100 fois meilleure que ce que la définition actuelle peut exprimer. La Conférence générale des poids et mesures a approuvé une feuille de route vers une redéfinition de la seconde autour d’une transition optique, ciblant 2030 ou peu après.

La seconde est au centre du graphe SI : depuis 2019, les sept unités de base du SI sont définies via des constantes fondamentales, et la plupart de ces constantes dépendent implicitement de la seconde. Le mètre dépend de la vitesse de la lumière (une mesure impliquant le temps). Le kilogramme dépend de la constante de Planck (en joule-secondes). L’ampère dépend de la charge élémentaire par seconde. La candela dépend des watts par stéradian (énergie par seconde). Si la précision des horloges atomiques s’améliore, la précision de toutes les autres unités SI s’améliore avec elle. Référence : Brochure SI du BIPM — La seconde.

Exemple de calcul

Le GPS dépend de la seconde de manière cruciale. Chaque satellite embarque une horloge au césium ou au rubidium ; la trilatération de position utilise le temps de parcours des signaux radio d’au moins quatre satellites à la vitesse de la lumière (~299 792 458 m/s). Une erreur de synchronisation d’une seule nanoseconde correspond à une erreur de position de ~30 cm : 299 792 458 m/s × 10⁻⁹ s ≈ 0,30 m. Une erreur d’une microseconde devient 300 m, ce qui rendrait le GPS inutile pour la navigation routière. Les satellites doivent également corriger la relativité générale (les horloges plus haut dans le champ gravitationnel de la Terre avancent d’environ 38 microsecondes par jour plus vite que les horloges au sol) et la relativité restreinte (la vitesse orbitale les ralentit d’environ 7 microsecondes par jour). La correction nette (~38 − 7 = ~38 µs/jour plus rapide) est codée en dur dans l’horloge du satellite au lancement ; sans elle, le GPS dériverait d’environ 11 km/jour.

Quand et pourquoi cela importe

Au-delà du GPS, la seconde sous-tend l’horodatage des marchés financiers (MiFID II en Europe impose une synchronisation d’horloge à la microseconde pour les lieux de négociation, traçable à l’UTC), la synchronisation de phase du réseau électrique, les télécommunications (les stations de base LTE/5G doivent être synchronisées en temps à 1 µs les unes des autres pour le handoff) et la mesure scientifique (les détections d’ondes gravitationnelles du LIGO reposent sur la corrélation de signaux de sites dans l’État de Washington et en Louisiane à quelques nanosecondes près). Référence : NIST — Division du temps et des fréquences.