Interrogations sur l'étalon de mesure du temps

La représentation physique de l’univers s’établit à partir de quelques grandeurs physiques primaires, quelques constantes dites fondamentales, et quelques lois physiques. Cette représentation permet d’expliquer les phénomènes observés, d’en prévoir la reproductibilité sous certaines conditions et d’en prévoir de nouveaux. La portée de cette représentation est cependant limitée par la capacité de cette représentation à décrire l’univers dans son ensemble et par la diversité limitée des systèmes et des interactions en présence et pris en compte dans la description.

En effet, l’infini est présent dans de nombreuses dimensions de l’univers et la réalité dépasse toujours la fiction. Aussi, est-ce le propre de la connaissance scientifique de toujours aller de l’avant dans cette représentation de l’univers, jamais achevée, toujours en questionnement.

La progression de la connaissance scientifique repose ainsi sur la capacité à réinterroger en permanence cette description avec deux objectifs complémentaires, maintenir le lien avec l’observation physique avec toujours la recherche de nouvelles observations, et chercher à établir une représentation, plus simple, plus globale,  et plus élégante, cette élégance permettant l’accès de la connaissance au plus grand nombre, et à la transmission de cette connaissance à travers les âges.

Les lois physiques définissent des relations entre des grandeurs mesurables, accessibles à l’observation, avec introduction de constantes fondamentales nécessaires pour la représentation retenue de l’univers. Les grandeurs mesurables dites primaires sont celles qui permettent d’établir des relations pour toute autre grandeur mesurable.

La simplicité peut se traduire par une limitation du nombre de grandeurs primaires mesurables, le nombre de constantes fondamentales ou des hypothèses sous-jacentes.

Une constante fondamentale est une valeur a priori constante dans le temps, entre hier, aujourd’hui et demain, et dans l’espace séparant deux observateurs différents, pour un paramètre  utilisé dans les lois de la description physique.

Lorsque qu’elle est sans dimension physique, une telle constante ne dépend que de sa valeur propre, définie ou connue en fonction de la précision qui est retenue dans le nombre de chiffres après la virgule.

Ce nombre peut être infini, quel que le soit le système de numération utilisé, binaire, décimal ou autre.

Exemple le nombre π, nombre infini après la virgule, permet d’accéder à la description du périmètre et de la surface de tout disque circulaire.

Une constante fondamentale disposant d’une dimension physique, peut être connue ou définie avec une précision donnée, soit donnée a priori, soit rapportée par l’expérience et l’observation. De par sa dimension physique, elle dépend alors également de la définition même de la mesure des grandeurs physiques sous-jacentes et de la représentation physique retenue.

La prise en considération conjointe des constantes fondamentales et des mesures physiques primaires permet d’établir le système de description fondamental de l’univers.

Le système international d’unités (SI) est un ensemble de grandeurs physiques qui permet de tout mesurer, de l’infiniment petit à l’infini grand, de manière aussi éloignée que nous permet la technologie existante, dans une telle représentation physique du monde.

Il compte aujourd’hui sept unités physiques primaires, pour mesurer :

• la durée (seconde, s),
• la longueur (mètre, m),
• la masse (kilogramme, kg),
• la température (kelvin, k),
• l’intensité électrique (ampère, A),
• la quantité de matière (mole, mol),
• et l’intensité lumineuse(candela, Cd).

La description du système international d’unités s’appuie aujourd'hui sur cinq constantes fondamentales  :

• La vitesse de la lumière, c= 299 792 458 m/s, de la dimension physique d’une distance en mètres parcourue par une durée en seconde,
• La constante de Planck, h= 6,626 070 15 10^-34 J * s, avec la dimension physique du produit d’une énergie en Joule par le temps, ou la division d’une énergie en Joule par une  fréquence en hertz, une énergie d’un Joule correspondant à 1 kg * m² * s^-2
• La constante de Boltzmann, K = 1,380 649 10 ^-23 J/k, dimension physique d’une énergie rapportée à une température
• La charge élémentaire de l’électron dont la valeur est de 1,602176 634 10 ^{– 19} coulomb, le coulomb étant la quantité d’électricité traversant une section d’un conducteur parcouru par un courant d’intensité de un ampère pendant une seconde
• Constante d’Avogadro : 6,022 140 76 10²³ par mole, quantité de matière

Certaines unités physiques primaires dépendent de la définition des autres, avec des relations qui prennent en compte une ou plusieurs constantes fondamentales, et donc également des hypothèses sous-jacentes pour la description de l’univers.

L’unité physique primaire portant sur le temps, ou plus précisément la durée, joue un rôle particulier car elle se retrouve aujourd’hui depuis la conférence du 16 novembre 2018 du Comité International des Poids et mesures,  dans la définition des six autres unités physiques primaires du Système International d’unités. Elle revêt en conséquence une importance particulière, avec un risque de mode commun intrinsèque de réinterrogation dans ces définitions en cas de remise en cause du système de description global.

Sa définition s’appuie sur la période ou fréquence d’un phénomène périodique. A une fréquence υ mesurée correspond une durée  t =  1/ υ entre deux reproductions du phénomène.

Après une première définition de la seconde à la première conférence générale mondiale des poids et mesures de  1889 fondée sur la durée du jour terrestre divisée en 24 heures, elles-mêmes divisées en 60 minutes puis en 60 secondes, la période de révolution de la Terre autour du soleil a été utilisée pour la définition du temps à partir de 1956. Depuis 1967, le temps est défini à partir de la fréquence d’oscillations mesurables à partir de l’émission induite par le changement d’état de niveau d’énergie au plus près de son état fondamental pour le Césium 133.

La seconde est ainsi 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 à la température du zéro absolu et correspondant à la fréquence de transition 9 192 631 770 hertz.

Il convient de noter que cette définition repose sur un multiple d’un intervalle plus petit que la seconde à l’inverse de la définition précédente qui reposait sur la division d’un intervalle plus grand.

Cette définition donne une précision relative de l’ordre de 10 ^-12 au moment où cette définition de la seconde a été prise en 1967.

Depuis, les « fontaines atomiques » consistant à utiliser la possibilité de refroidir des atomes par un laser avec l’établissement d’une onde stationnaire dans une cavité dite de Ramsey, puis d’y observer le retournement de trajectoires balistiques liées à la gravité, permettent d’approcher la précision de 10 ^{- 16} depuis les années 2010. A ce niveau de précision,  il convient de prendre en considération les variations de l’effet gravitationnel qui peut induire une variation de 10 ^{- 16} par mètre à la surface de la Terre.

https://public.weconext.eu/academie-sciences/2018-12-04/video_id_004/index.html#diapo001

Il est possible aujourd’hui de travailler avec des « peignes de fréquences optiques »  d’envisager des étalons de fréquence optique qui permettent de travailler dans le domaine de la lumière visible avec des lasers disposant de fréquence suffisamment stable, et en travaillant avec différentes catégories d’atomes.

Il est alors possible d’envisager de déterminer une seconde avec une incertitude de l’ordre de 10 ^{- 18}, soit une seconde rapportée à l’âge aujourd’hui estimé de l’univers.

https://public.weconext.eu/academie-sciences/2018-12-04/video_id_004/index.html#diapo012

Intervention de Sébastien BIZE, SYRTE (Système de Référence Temps Espace), Observatoire de Paris, conférence « l’Unité de temps aujourd’hui et dans le futur » du 4 décembre 2018 à l’Académie des Sciences France

Il convient de noter que de telles  précisions dépasse d’un facteur 1000 à plus de 10 000 celle des étalons atomiques de fréquence fondés sur la différence de niveaux d’énergie  de la structure hyperfine fondamentale du Cesium 133 qui demeurent la référence actuelle du système international. Ceci induit la nécessaire réinterrogation de la définition de la seconde dans le système international d'unités.

Et dans l’attente, le fait de disposer d’une précision nettement plus importante dans les laboratoires de recherches, voire dans les utilisations militaires, ou civiles et commerciales ( exemple du GPS) induit des nécessaires corrélations et corrections entre les systèmes qui donnent la référence de fréquence, et donc celle du temps, et de toutes les autres mesures physiques en conséquence.

Au-delà de cette nécessaire régulation entre les différents systèmes de mesures pour le temps et la durée, la profonde décorrélation qui en résulte du système international d’unités et de la réalité physique observable, avec les données physiques expérimentales que permettent les technologies aujourd’hui accessibles mais pas forcément partagées,  pose alors une très grave difficulté conceptuelle de nature à ralentir la progression de la connaissance générale. Le non partage des données d’un système établi dans une sphère privée et fermée pourrait limiter de fait la capacité de réinterpellation sur les modèles eux-mêmes de représentation physique de l’univers. Cette diminution de la capacité d’interpellation est de nature à conduire inéluctablement à une régression de la connaissance générale.

Pour ce qui concerne la représentation physique de l’univers, il convient de garder en mémoire que nous ne disposons pas encore de théorie unifiée de la gravitation et de toutes les forces d’interaction au sein de l’atome et des forces électromagnétiques. Et la stabilité des raies fondamentales dans les atomes peut elle-même être remise en cause, des variations de la période radioactive de radio-éléments ayant pu être constatées le long de la trajectoire de la Terre autour du Soleil ou dans d’autres situations.

Il a été indiqué dans ce blog que la vitesse de la lumière pouvait ne pas être constante. La constante de Planck pourrait également ne pas être constante et correspondre à la  densité énergétique spatiale, elle-même potentiellement variable dans le temps voire dans l’espace. Et la représentation de la propagation dans l’espace du champ électromagnétique peut lui-même prêter à discussion.

http://www.malicorne.over-blog.com/article-nouvelles-pistes-en-physique-a-explorer-98622138.html

Enfin, faute de leur caractérisation précise, il est aujourd’hui très difficile de prendre en considération l’énergie et la matière dite noire qui sont aujourd’hui identifiées comme nécessaires pour reproduire les phénomènes observés dans la rotation  des galaxies et la dynamique de l’expansion de l’univers.  Des propositions ont également établies dans ce blog pour différencier et analyser les systèmes duaux, en mode direct ou indirect, de rotation.

http://www.malicorne.over-blog.com/2015/05/matiere-noire-de-l-univers-nouvelle-piste-a-creuser.html

L’ensemble de ces éléments conduisent à resouligner l’importance de procéder à des observations dans une approche libre et ouverte, en demeurant curieux, critique et interrogatif.

La détection et la caractérisation des incertitudes, la recherche et la reproduction de phénomènes en écart par rapport aux théories actuelles, la capacité d’interpeller, de réinterroger, de procéder à une analyse critique des résultats d'observation et des hypothèses puis de remettre en perspective celles-ci avec les observations sont plus que jamais indispensables.

La primauté devant être accordée à la recherche publique et fondamentale doit demeurer un axe prioritaire d’action de la communauté scientifique internationale, en disposant du dernier niveau de technologie disponible, en procédant au repérage et au recalage périodique des observations de référence qui établissent la robustesse du modèle de représentation de l’univers, et en procédant à la publication systématique de toute donnée en limite de compatibilité avec le système de description retenu pour l’univers physique.  

L’indépendance dans la reproduction des observations de référence par des laboratoires publics différents constitue un élément de redondance et de robustesse de la description de l’univers.

Les interrogations exprimées plus haut sur la définition de la seconde dans le système international d'unités, et donc de la définition de l'ensemble des unités primaires, ouvrent déjà un très large champ de travail.

L’ouverture au questionnement, à l'analyse critique et à la ré-interrogation périodique ne peut qu’entretenir la dynamique de progression de la connaissance générale et permettre de nouvelles découvertes.

marais, Loix en Ré, Février 2019

Comments

[Laurent]

Le mètre n'existe plus : il est remplacé par une vitesse que l'on a toujours pas compris ( a savoir : la vitesse de la lumière, quel qu'elle soit est invariante... si dans le verre on la voit aller 1,5 moins vite, c'est que le temps du verre est pour elle plus 'lent' que dans l'air ) de quelque chose que l'on a toujours pas compris ( la lumière n'est pas de la lumière : c'est une information de temps capable d'affecter le temps de ce qu'elle touche ) .. Demain : C'est le kilogramme qui disparait alors que l'on a toujours pas compris la gravitation ( le soleil agresse la terre avec sa lumière, les électrons de la terre se mettent à faire une ellipse au plus prés du noyau coté ou ils sont agressés et en faisant cette ellipse : entrainent le noyau ) ... Et tout ça pour que nos calcul soient justes ? Pour faire de notre seconde ( différente dans les 362 horloges atomiques sur terre ) l'unique seconde de l'univers ? ... Pour ne pas comprendre que quelqu'un qui parle à la radio au bord d'un trou noir pendant 5 de ses minutes, sera audible sur terre pendant 5 de nos minutes : la lumière ( onde électromagnétique = radio ) s'est adapté au temps du milieu ( même si elle a du mettre plus d'un siècle pour nous parvenir, et que 5 min au bord du trou noir sont l'équivalent de 50 ans chez nous...c'est fou ! et pourtant si logique ) Remarque : En haut et en bas de la tour-effel, la seconde est différente à cause de la gravitation, cependant ma mesure au laser Haut / Mirroir-Bas / Haut donnera exactement le même résultat que Bas / Mirroir-Haut / Bas ! Pas logique si la seconde est différente ? Ben, si : La lumière est une information de temps et ce n'est pas la même lumière que l'on a émise ( le temps s'écoule plus vite en altitude, la lumière émise en haut avec le même appareil n'a pas tout à fait la même longueur d'onde, et elle est, elle aussi : plus rapide ).... ON TOURNE EN ROND DANS LES MATH tout en oubliant et ignorant complètement la LOGIQUE des choses... Bonne destruction à toutes nos unités, soyez dans un monde que je qualifierais de 'Complexe' qui n'a aucune réalité mais qui pour vous peut simplifier les calculs...

[Laurent]

Vous voulez un beau paradoxe ? Non, tant pis : J'émets pendant une année une onde radio en haut de l'Himalaya... Emission que je reçois au niveau de la mer ( ou le temps s'écoule moins vite ) Cette émission est constituée de 2 bip ( 1 par an ) et au niveau de la Mer, je peux constater que je reçois bien exactement 1 bip par an... ( L'onde radio s'est adaptée au temps du milieu) Pourtant si au bout d'une année, je prend une horloge et que je l'amène à coté de l'autre, alors qu'elles étaient synchronisées au départ ,elles sont censées ne pas indiquer pas la même heure ! ... Un autre paradoxe dit que la lumière va moins vite dans le verre : Si c'était réellement le cas, alors vous n'auriez pas de la lumière à la sortie du verre : sa longueur d'onde changerait, aussi on ne peut en déduire qu'une chose : elle rentre et sort aussi vite du verre qu'elle voyage dans l'air : bref : elle n'a jamais changé ni perdu de vitesse... ( conclusion : soit le verre et plus gros que ce que l'on voit, soit le temps du verre est plus lent que celui de l'air...) Remarque : Pour mon paradoxe , en fait l'onde radio s'adapte bien, mais pas les horloges qui sont protégées de la pression et de la température ( il y a bien un impact temporel = gravitation , mais incomplet sur l'horloge) et donc au niveau de la mer, je ne vais pas recevoir tout à fait deux BIPS espacés d'un an - Deux horloges non protégées température/pression Himalaya et Mer que l'on déplace pour se rejoindre au bout d'un an de la même façon que l'on a éloigné la première indiqueront la même heure..., si celle de l'Himalaya est protégée alors elle a artificiellement accéléré le temps qu'elle aurait du mesurer (- de froid) mais aussi ralenti (+ de pression) )... Sachant cela ? Notre seconde, c'est celle de l'univers ou pas ? .... Bonne prise de tête....