Seconde (temps)

Pour les articles homonymes, voir seconde et science attoseconde.

Seconde
Cette animation représente un flash qui se produit une fois par seconde.
Informations
Système	Unités de base du système international
Unité de...	Temps
Symbole	s
modifier

La seconde est une unité de mesure du temps de symbole s.

C'est une des unités de base du système international, ainsi que du système CGS.

Son nom 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.

Étalon de mesure du temps

La définition de la seconde, l’unité SI de temps, a été établie 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 cœur 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.

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).

Unités dérivées

Unités et symboles normalisés dans le SI

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 1 000 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 (international, du latin dies) ou j (en français), dont la durée est de 24 heures, soit 86 400 secondes (cette durée, différente du jour calendaire correspond approximativement à celle d’un jour solaire).

Unités et notations usuelles dérivées du SI

Il existe d’autres unités usuelles non décrites dans le SI, mais dérivées de celui-ci :

• la tierce, de symbole t, ancienne unité dont la durée est de 1/60 seconde ;
• l’année julienne, de symbole a (d'après le latin annus ; souvent yr dans la littérature anglo-saxonne), d’une durée de 365,25 jours soit 31 557 600 secondes ;
• l’année sidérale, précisée par son époque (servant à définir une autre unité de longueur dérivée du SI mais ne faisant pas partie formellement de celui-ci, l’année-lumière), définie par une durée précise exprimée en secondes (précisément 31 471 949,27 secondes pour l’époque J2000.0 utilisée pour définir l’année-lumière) ;
• le mètre, qui est en réalité une unité de longueur et non de temps, mais qui correspond aujourd’hui, par définition, à la distance parcourue par la lumière dans le vide en exactement 1/299 792 458 seconde (cette définition permet d’exprimer de façon équivalente les périodes d’ondes électromagnétiques sous forme de longueur d'onde ; toutefois le mètre reste encore considéré comme une unité SI de base, non dérivée ; c’est aujourd'hui le temps (et non directement la distance) qu’on sait aujourd'hui mesurer le plus précisément (toute mesure d’une distance oblige à changer de référentiel pour l’instrument de mesure, ne serait-ce que pour le construire, et à synchroniser au moins deux mesures, ce qui nécessite aussi un temps nécessairement non nul).

Notations interdites

L'emploi d'une ou de deux primes comme symboles respectifs de la minute et de la seconde temporelles est incorrect, ces signes désignant la minute et la seconde d'arc, subdivisions du degré d'arc.

De même il n’est pas autorisé d’utiliser des abréviations pour les symboles et noms d’unités, comme « sec » (pour « s » ou « seconde »)^[3].

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  de la seconde :

Ordres de grandeur

On peut noter que l'âge de l'univers, exprimé en secondes, est voisin de 4,3×10¹⁷ s, ce qui donne peu de sens aux durées bien plus grandes exprimées en zettasecondes ou yottasecondes.

À l'opposé, dans le domaine des durées l'infiniment courtes, l’Institut Max Planck d'optique quantique a mesuré en 2004 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 1×10^-16 s^[5] - à titre de comparaison, une attoseconde est à une seconde ce qu'une seconde est à environ 31,54 millions d'années. 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). L'Institut Max Born d’optique non-linéaire et de spectroscopie (MBI) de Berlin est parvenu à établir en 2010 le record de la plus faible durée d'impulsion contrôlable, atteignant la durée de 12 attosecondes^[6]. Les unités de temps plus petites, zeptoseconde et yoctoseconde, ont peut-être encore un sens à des échelles subatomiques, mais ne sont pas encore mesurables avec les instruments actuels. De plus, les effets de la mécanique quantique génèrent une incertitude intrinsèque à toute mesure, selon le principe d’incertitude formulé par Heisenberg.

En tant qu’unité de base, on voit que l’échelle de la seconde est bien adaptée car centrale à toutes les durées observables actuelles : il n'est pas encore établi qu’au-delà de ces deux durées extrêmes, la séparation orthogonale du temps et de l'espace (ou d’autres quantités physiques) a encore un sens dans nos référentiels locaux de mesure, ni que ces deux temps extrêmes ne forment pas en fait une seule et même boucle avec aussi d’autres quantités non séparables^{[réf. nécessaire]}.

Autres unités de temps usuelles non linéaires

D'autres unités usuelles ne correspondent pas à un nombre précis de secondes, et ne sont donc pas des unités de temps dans le SI, ni même dérivées directement de celui-ci puisque ce ne sont que des approximations dans leur propre système non linéaire, d’une durée réelle en secondes SI :

• le jour solaire, tel qu'observé encore aujourd’hui sur la Terre par les géophysiciens et astronomes (et autrefois utilisé aussi intuitivement comme unité calendaire) mais dont la durée réelle varie en permanence de façon irrégulière, ainsi que ses unités dérivées (semaine solaire, mois solaire, année solaire), mais dont les noms sont encore plus ambigus selon l’astre de référence et le repère tridimensionnel qui sert à les compter (en nombre de révolutions terrestre entre les équinoxes, ou bien selon l’année tropique observée) ;
• l’ensemble des unités calendaires (en nombre de rotations de la Terre pour l’alternance nuit/jour), toutes géocentrées, connue du grand public et largement utilisées (jour, semaine, mois, année, décennie, siècle, millénaire, etc.), qui ne correspondent pas non plus exactement avec les unités dérivées du SI ni même exactement aux unités solaires précédentes ;
• de même, le jour calendaire est très usuellement subdivisé de façon traditionnelle en exactement 24 « heures » de 60 « minutes », chacune de 60 « secondes », quelle que soit la date, ce qui simplifie l’usage courant ; cependant ces unités (elles aussi calendaires) sont alors différentes de l’heure, la minute et la seconde décrite dans le SI, et même de l’heure, la minute et la seconde solaire des géophysiciens et astronomes.

Toutefois, dans de nombreux pays, l’heure légale dans une journée calendaire est maintenant déterminée par une durée exprimée en heures, minutes et secondes du SI : le réajustement des jours calendaires avec les jours solaires se fait aujourd'hui de temps en temps au moyen des secondes intercalaires, insérées ou supprimées à certaines dates en fin de journée (de sorte que les jours calendaires légaux font le plus souvent 24 heures dans le SI, mais certains jours sont raccourcis ou augmentés d’une ou deux secondes du SI). Cela a permis d’éliminer dans de nombreux domaines l’emploi des traditionnelles secondes, minutes et heures solaires, et même celui des secondes, minutes et heures calendaires, au prix d’une complexification de la durée légale d’une journée calendaire.

Perspectives

Etalon de fréquence et de mesure du temps

Les développements récents d'horloge atomique, basés sur des transitions électroniques à des fréquences optiques, ont permis de construire des horloges plus stables que les meilleures horloges à jet de Césium. Lors de la 24^e Conférence générale des poids et mesures^[7], ces atomes et leurs fréquences ont été ajoutés aux réprésentations secondaires de la seconde^[8].

D'après les publications sur les performances de ces étalons de fréquence (dont Nature de juillet 2013), ces horloges pourraient dans le futur conduire à une nouvelle définition de la seconde^[9].

Secondes intercalaires

Mais il est également envisagé d’abandonner dans la décennie 2010-2020 ces secondes intercalaires (très mal comprises par le grand public depuis leur introduction dans le temps universel coordonné), en admettant qu’aucun jour calendaire ne dure plus exactement 24 heures légales (du SI), mais une durée proche de 24 heures SI, avec quelques millisecondes d'écart (un écart qui varie tous les jours) pour rendre la durée du jour calendaire égale à celle du jour solaire observé ; la durée précise de chaque jour solaire est donnée par les mesures relevées par les observatoires qui peuvent établir la date astronomique précise (en secondes SI) d’une heure légale donnée (déjà en unités SI) pour ce jour, et cette durée peut être estimée avec une bonne précision à partir des mêmes tableaux de mesures astronomiques servant déjà aujourd'hui à définir les secondes intercalaires dans les jours calendaires.

En procédant ainsi, les jours calendaires et jours solaires redeviendraient identiques et conformes à leur perception intuitive (mais ce ne seraient toujours pas des unités SI puisque leur durée restera variable) et seront facilement convertibles en unités SI par une table de conversion pour chaque jour (également estimable plusieurs jours à l’avance avec une précision de l’ordre de la milliseconde), auquel il suffirait d'ajouter l’heure légale pour obtenir la date astronomique (et permettre de calculer des durées linéaires). Au lieu de sauter ou ajouter un nombre exact de secondes SI certains jours (ce qui est gênant dans certaines applications demandant une bonne linéarité des mesures de durées), ce ne serait plus qu’une poignée de millisecondes ajoutées ou retirées tous les jours, ce qui serait invisible pour la plupart des utilisateurs : un tel système peut aujourd'hui être mis en œuvre avec les horloges électroniques de dispositifs, y compris itinérants, connectées à Internet ou à un système de mise à jour radiodiffusé, et sans conséquence pour les autres dispositifs non connectés (comme les montres et les horloges mécaniques qui ne nécessitent ni n’affichent une telle précision, alors qu’ils sont aujourd‘hui affectés brutalement lorsque surviennent ces secondes intercalaires).

Références

Annexes

Articles connexes

• Seconde intercalaire
• Calcul horaire