Femtoseconde

La seconde est l’unité de mesure de temps du système international, de symbole s. Le terme provient de la francisation écourtée de l’expression latine minutum secunda (latin médiéval), qui signifiait littéralement minute de second rang, c’est-à-dire seconde division de l’heure.

Sommaire 1 Étalon de mesure du temps 2 Temps et durée 3 Unités dérivées 3.1 Usuelles 3.2 Multiples et sous-multiples 4 Estimation 4.1 Exemples 4.2 Méthodes 5 Références 6 Articles connexes

Étalon de mesure du temps

La définition de la seconde, l’unité SI de temps, a été définie selon les connaissances et les possibilités techniques de chaque époque.

• Elle a d’abord été définie comme la fraction ¹⁄₈₆₄₀₀ du jour solaire terrestre moyen. L’échelle de temps associée est le temps universel TU. (Cette durée est proche de la période moyenne du battement du coeur d'un homme adulte au repos.)

• En 1956, pour tenir compte des imperfections de la rotation de la Terre qui ralentit notamment à cause des marées, elle a été basée sur la révolution de la Terre autour du Soleil et définie comme la fraction ¹⁄_{31 556 925,9747}. de l’année tropique 1900. C’est la seconde du temps des éphémérides TE.

• Depuis la 13^e Conférence générale des poids et mesures, la seconde n’est plus définie par rapport à l’année, mais par rapport à une propriété de la matière ; cette unité de base du système international a été définie en 1967 dans les termes suivants :

La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux hyperfins F=3 et F=4 de l’état fondamental ⁶S_½ de l’atome de césium 133^[1].

La seconde, étalon de mesure du temps, est ainsi un multiple de la période de l’onde émise par un atome de césium 133 lorsqu’un de ses électrons change de niveau d’énergie. On est ainsi passé de définitions, en quelque sorte descendantes, dans lesquelles la seconde résultait de la division d’un intervalle de durée connue en plus petits intervalles, à une définition ascendante où la seconde est multiple d'un intervalle plus petit.

Lors de sa session de 1997, le Comité international a confirmé que Cette définition se réfère à un atome de césium au repos, à une température de 0 K. Cette dernière précision souligne le fait qu’à 300 K, la transition en question subit, par rapport à sa valeur théorique, un déplacement en fréquence dû aux effets de rayonnement du corps noir. Cette correction a été apportée aux étalons primaires de fréquence et donc au TAI à partir de 1997, quand elle a cessé d’être négligeable par rapport aux autres sources d’incertitude.

On dispose aujourd’hui d’une exactitude allant jusqu’à la 14^e décimale (10^-14). L’exactitude et la stabilité de l’échelle dite du Temps atomique international (TAI) obtenue principalement à partir d’horloges atomiques à jet de césium sont environ 100 000 fois supérieures à celles du temps des éphémérides. C’est d’ailleurs l’unité du SI la plus précisément connue.

De nombreuses expériences en cours sur des transitions atomiques à des fréquences optiques, beaucoup plus élevées que les 9 GHz de la définition actuelle de la seconde, indiquent clairement que les performances obtenues avec l’atome de césium sont ou seront dépassées de plusieurs ordres de grandeur dans un avenir proche. Il faut s’attendre à ce qu’une nouvelle définition de la seconde voie le jour dans la décennie 2010-2020, dès que le meilleur des différents atomes candidats (calcium, ytterbium, strontium, mercure…) aura été désigné par l’expérience. Elle sera toujours liée à une transition atomique. Cette nouvelle définition coïncidera peut-être avec l’abandon des secondes intercalaires et donc avec une définition de l’échelle de temps internationale de référence purement atomique indépendante de la rotation terrestre, donc de l'astronomie.

Temps et durée

La définition de la seconde met en lumière la notion de temps et de durée. Bien que généralement on parle de « temps » exprimé en des unités comme la seconde, la définition de cette dernière n’est finalement qu’un nombre, ni plus ni moins. La notion du temps se rapporte habituellement à une variable t continue et linéaire, comme dans les équations de la mécanique. Il est cependant difficile de lui donner une signification propre, alors que finalement la définition de la seconde correspond à la mesure d’une durée, c’est-à-dire un intervalle de temps. Cette subtilité est d’importance dans la compréhension de la physique fondamentale, et notamment de l’utilisation du calcul différentiel (où la vitesse est définie comme la limite pour un intervalle de temps tendant vers 0).

L’évènement le plus court jamais enregistré à ce jour l’a été à l’Institut Max Planck d’optique quantique : la durée du trajet d’électrons excités par les impulsions de 250 attosecondes d’un laser à ultraviolets ; position mesurée toutes les 100 attosecondes, correspondant à 100×10^-18 secondes. (information parue dans la revue Nature en février 2004). Pour avoir une meilleure idée de la prouesse, dans le modèle d’atome d’hydrogène de Niels Bohr, l’orbite d’un électron autour du noyau dure 150 attosecondes (mais les modèles atomiques actuels considèrent que l’électron ne tourne pas ; cf. atome).

Unités dérivées

Usuelles

Les préfixes du système international permettent de créer des multiples et sous-multiples décimaux de la seconde. Si les sous-multiples décimaux (milliseconde, microseconde, nanoseconde, etc.) sont d’un emploi assez fréquent, les multiples (kiloseconde (ks) pour 1000 secondes, mégaseconde, etc.) sont très peu usités, les multiples de 60 (minute, heure) puis 24 (jour) leur étant préférés.

Les multiples de la seconde en usage avec le système international^[2] (tableau VI de la 8^e édition de 2006) sont :

• la minute, de symbole min, dont la durée est de 60 secondes ;
• l’heure, de symbole h, dont la durée est de 60 minutes, soit 3 600 secondes ;
• le jour, de symbole d, dont la durée est de 24 heures, soit 86 400 secondes (cette durée correspond approximativement à celle d’un jour solaire).

Il existe d’autres unités usuelles non décrites dans le SI :

• l’année julienne, de symbole a (souvent yr dans la littérature anglo-saxone), d’une durée de 365,25 jours soit 31 557 600 secondes.
• la tierce, de symbole t, ancienne unité dont la durée est de ¹⁄₆₀ seconde.

Multiples et sous-multiples

Les préfixes du système international permettent de créer des multiples et sous-multiples décimaux de la seconde. Comme indiqué plus haut, les sous-multiples sont employés fréquemment contrairement aux multiples.

Voici la table des multiples et sous-multiples :

10 N	Nom	Symbole	Quantité
10 24	yottaseconde	Ys	Quadrillion
10 21	zettaseconde	Zs	Trilliard
10 18	exaseconde	Es	Trillion
10 15	pétaseconde	Ps	Billiard
10 12	téraseconde	Ts	Billion
10 9	gigaseconde	Gs	Milliard
10 6	mégaseconde	Ms	Million
10 3	kiloseconde	ks	Mille
10 2	hectoseconde	hs	Cent
10	décaseconde	das	Dix
1	seconde	s	Un
0,1	déciseconde	ds	Dixième
10 -2	centiseconde	cs	Centième
10 -3	milliseconde	ms	Millième
10 -6	microseconde	μs	Millionième
10 -9	nanoseconde	ns	Milliardième
10 -12	picoseconde	ps	Billionième
10 -15	femtoseconde	fs	Billiardième
10 -18	attoseconde	as	Trillionième
10 -21	zeptoseconde	zs	Trilliardième
10 -24	yoctoseconde	ys	Quadrillionième

Anciens multiples et sous-multiples de la seconde (leur emploi est devenu rare) :

10 N	Nom	Symbole	Quantité	Multiplicateur
10 4	myriaseconde	mas	Dix mille	10 000
10 -4	myrioseconde	mos	Dix-millième	0,000 1

Estimation

Il est souvent utile d’estimer un intervalle de temps, lorsqu’on est dépourvu de la possibilité d’utiliser une montre ou un chronomètre.

Exemples

• Estimer la durée du balancement d’un pendule.

Méthodes

• Compter avec son pouls.
• Prononcer une phrase ou une expression. Ainsi les Français comptent les Y ( « Un I grec, deux I grecs… » ), et les américains comptent les Mississipi ( « Un Mississipi, deux Mississipi. » ), les parachutistes comptent en sautant de l’avion « 331! 332! 333! ». Un autre moyen qui peut être utilisé est de compter mille-et-un, mille-et-deux, mille-et-trois...

Références

Articles connexes

• Seconde intercalaire
• Calcul horaire

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