La normalisation du temps
La réalité naît entre nos mains. Lorsque nous doutons de l’existence de quelque chose, nous tendons l’index et nous le touchons. Le clavier de votre ordinateur ou la vitre de votre téléphone sont réels, ils existent. Vos doigts peuvent clairement le confirmer. Nous savons nous-mêmes que nous existons dans ce monde. Si vous en doutez, vous pouvez le vérifier de deux façons : la première consiste à vous pincer le bras, une technique très répandue. Vous pouvez aussi, à cet instant précis, demander à la personne la plus proche si elle existe. Attendons. La réponse a été affirmative ? Alors, c’est qu’elle existe. Elle a été négative ? Vérifiez que la personne à côté de vous existe bien, tendez l’index et touchez-la. Existe-t-elle ? La conclusion de l’expérience vous appartient. Nos mains semblent ainsi être le berceau de la réalité. En est-il vraiment ainsi ?
Tout ce que nous faisons, nous le faisons dans notre monde ; nous ne pouvons pas tendre l’index et toucher d’autres mondes, ni même y poser le pied. C’est peut-être pour cette raison qu’il est si difficile de croire à l’existence de mondes au-delà du nôtre. Selon l’une des rares théories qui tentent de nous éclairer sur ce sujet, il existe d’autres mondes dans lesquels nous existons nous aussi. Les physiciens, du sommet vertigineux de leur créativité, ont baptisé cette théorie « interprétation des mondes multiples ». L’auteur de l’idée est Hugh Everett III. À 12 ans, Hugh Everett III envoya une lettre à Albert Einstein pour éclaircir une question : que se passerait-il si une force impossible à arrêter agissait sur un objet immobile ? La réponse fut la suivante :
« Cher Hugh : il n’existe rien de tel qu’une force irrésistible et un corps immobile. Mais il semble y avoir un jeune homme très obstiné qui s’est frayé victorieusement un chemin à travers d’étranges difficultés créées par lui-même à cette fin. Bien à vous, A. Einstein ».
C’est peut-être cette réponse du plus grand génie de la physique qui l’a poussé à embrasser une carrière de physicien, peut-être les histoires de sa mère, ou peut-être ses études sur les projectiles du fusil de son père. Nous ne le saurons pas. Ce que nous savons, c’est que Hugh Everett III fut lui-même un génie dans plusieurs domaines et qu’il conçut l’une des solutions les plus intéressantes pour nous éclairer sur le fonctionnement de la mécanique quantique. Son interprétation des mondes multiples est aujourd’hui acceptée en physique comme l’une des principales théories de la mécanique quantique, mais il n’en a pas toujours été ainsi.
L’INTERPRÉTATION DE COPENHAGUE
En 1912, un entrepreneur belge, Ernest Solvay, créa les Conseils Solvay (1), organisés tous les trois ans. Le cinquième conseil, qui se tint en octobre 1927 et portait sur les électrons et les photons, fut l’un des plus importants de tous les temps. Il réunit 29 scientifiques, dont 17 avaient reçu, ou allaient recevoir, le prix Nobel. Parmi eux figuraient des noms célèbres comme Albert Einstein, Niels Bohr, Max Planck, Erwin Schrödinger. Lors de ce conseil, on débattit de la théorie quantique tout juste formulée, notamment au cours d’un célèbre débat entre Einstein et Bohr sur le comportement de l’électron. La fameuse « interprétation de Copenhague » est née de ce conseil. Pour la comprendre, il nous faut d’abord connaître la découverte de Schrödinger, deux ans plus tôt, en 1925.
Schrödinger démontra, au moyen de son équation, que si, dans une vision macroscopique du monde, la deuxième loi de Newton (F = ma) donnait de bons résultats, il n’en allait pas de même au niveau quantique.
L’équation de Schrödinger permet donc de calculer l’énergie des orbitales des électrons, et elle démontre qu’il n’est pas possible de prédire la position exacte d’un électron. Cette impossibilité tient au fait que les électrons se trouvent en superposition, c’est-à-dire en plusieurs positions simultanément. S’ils se trouvent en plusieurs positions à la fois, on peut dire qu’ils ne se comportent pas comme des particules, mais bien comme des ondes. Pourtant, lorsque nous observons un électron, nous le voyons comme s’il s’agissait d’une particule. L’interprétation de Copenhague soutient donc qu’un électron se comporte comme une onde, mais que, lorsqu’il est observé, sa fonction d’onde s’effondre et il se révèle alors comme une particule. C’est précisément cette idée de Bohr qu’Einstein contestait. On raconte qu’à la suite de ce débat, Einstein aurait prononcé sa célèbre phrase :
« Dieu ne joue pas aux dés »
Il faisait allusion au fait que la solution présentée par Bohr pour expliquer la transition entre onde et particule reposait sur une probabilité et dépendait, de surcroît, d’un observateur. La réponse de Bohr fut simple :
« Einstein, cessez de dire à Dieu ce qu’il doit faire ».
Après des années passées à voir le monde à travers le regard de la physique classique de Newton, ces génies se trouvaient face à une réalité impossible à confirmer. L’auteur de l’équation à l’origine de toute cette controverse, Schrödinger, trouvait lui-même absurde l’idée de l’effondrement de la fonction d’onde. Au point de proposer l’une des expériences les plus spirituelles de la physique, connue aujourd’hui sous le nom d’expérience du chat de Schrödinger.
LE CHAT DE SCHRÖDINGER
L’expérience du chat de Schrödinger cherche à illustrer l’absurdité de l’application de l’interprétation de Copenhague aux objets ordinaires de la vie quotidienne. Elle consiste simplement à placer un chat dans une boîte avec un flacon de cyanure, un composé radioactif et un détecteur de radiations. Selon la physique quantique, les atomes de la substance radioactive peuvent se désintégrer, ou non, pendant la durée de l’expérience. Si les particules de la substance radioactive se désintègrent et libèrent donc des radiations, le flacon de poison sera brisé et le chat mourra. Si les particules ne se désintègrent pas, le chat vivra. Selon l’interprétation de Copenhague, tant que la boîte n’est pas ouverte, le chat sera à la fois vivant et mort. En ouvrant la boîte, cependant, l’observateur ne verra qu’un chat vivant ou un chat mort. Bien qu’il ne s’agisse pas d’une théorie facile à admettre, comme l’a souligné Einstein, elle a été largement acceptée jusqu’à nos jours.
L’INTERPRÉTATION DES MONDES MULTIPLES
Trente ans après le cinquième Conseil Solvay, Hugh Everett soutint sa thèse de doctorat, dans laquelle il proposa héroïquement une solution au problème de Bohr, alors reconnu dans le monde entier. Après la soutenance, le directeur de thèse d’Everett obtint que Bohr accepte de le recevoir. Pourtant, selon le récit de l’épouse d’Everett, Bohr refusa même d’aborder le sujet, et ne le reçut pas davantage.
La proposition d’Everett était assez simple : il suggérait de ne recourir qu’à l’équation de Schrödinger pour expliquer le comportement des électrons, rien d’extraordinaire jusque-là. L’idée suivante fut cependant un peu plus audacieuse.
Face au problème de la mesure de la position de l’électron, Everett suggéra que la simple observation d’un électron créerait un nouveau monde, dans lequel ce même électron apparaîtrait comme une particule.
Ce monde serait différent du monde précédent, dans lequel la particule se comportait encore comme une onde. On donna à la proposition d’Everett le nom imaginatif de théorie des mondes multiples. Selon l’interprétation des mondes multiples, le chat de Schrödinger, l’observateur et le monde entier se trouvent tous en superposition, ce qui est, de toute évidence, plus cohérent. C’est la raison pour laquelle il faudra naturellement envisager l’existence de plusieurs mondes. Jusqu’à aujourd’hui, l’interprétation des mondes multiples est l’une des rares théories à proposer une solution au problème de la mesure de la position des électrons en physique quantique. Elle n’est pas seulement reconnue par des passionnés de science-fiction, mais aussi par des physiciens réputés comme Sean Carroll.
LES MAINS ET LA RÉALITÉ
L’idée de notre présence simultanée dans plusieurs mondes est déconcertante. L’immensité de l’inconnu que la physique quantique a révélée est effrayante. Nous en sommes même venus à ne plus comprendre ce qu’est la réalité elle-même. Il ne nous reste qu’à considérer que c’est seulement dans notre pensée que la réalité naît, vit et meurt. Après tout, c’est dans la pensée de nos parents que nous commençons à exister, avant même de naître. Nous ne devenons pas réels lorsque quelqu’un nous touche. Nos mains ne rendent pas réel le monde que foulent nos pieds. Il n’est pas possible de toucher la réalité, et encore moins de rendre réel ce que nous touchons.
Nous savons désormais que la réalité nous échappe des mains et qu’elle souffre de problèmes existentiels. Et depuis le week-end dernier, nous avons découvert que le temps souffre de maux semblables. Quant à la réalité, nous ne pouvons pas grand-chose. Quant au temps, l’IPR étant une école d’horlogerie, nous avons au moins le devoir d’essayer de l’éclaircir — même si, aussi absurde que cela paraisse, on considère qu’il n’existe pas.
QU’EST-CE QUE LE TEMPS
Dans l’univers de l’horlogerie, le temps n’est pas seulement une abstraction philosophique ou une valeur sentimentale : c’est une grandeur physique qui doit être mesurée avec exactitude. L’histoire de la normalisation du temps suit un parcours remarquable, dans lequel se distingue la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) — l’instance internationale chargée de la définition officielle des unités fondamentales du Système international (SI), parmi lesquelles la seconde.
La Convention du Mètre : la genèse de la normalisation
Le 20 mai 1875, vingt nations — dont le Portugal — signèrent à Paris la Convention du Mètre. Ce traité international jeta les bases d’une uniformisation mondiale des unités de mesure, qui donna naissance au Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), établi à Sèvres, aux portes de Paris.
D’abord centré sur la définition du mètre et du kilogramme, le travail du BIPM s’étendit aux autres grandeurs physiques — parmi elles, le temps. La coordination de ces activités fut confiée à la Conférence générale des poids et mesures, qui se réunit régulièrement depuis 1889 pour approuver des définitions, réviser des normes et garantir la cohérence du système international d’unités.
La seconde astronomique : une définition instable
Pendant des siècles, le temps s’est mesuré par des observations astronomiques.
La seconde était définie comme la fraction 1 ⁄ 86400 du jour solaire moyen — c’est-à-dire la vingt-quatrième partie d’une rotation de la Terre divisée par 3600.
On constata toutefois que la rotation terrestre n’est pas constante. Elle subit de petites variations imprévisibles, d’origine géologique, atmosphérique et gravitationnelle.
Cette instabilité devint inacceptable pour les applications qui exigent une précision extrême, comme la navigation par satellite, la synchronisation des réseaux de télécommunications ou l’horlogerie scientifique. Il fallait trouver une référence invariable, présente dans toute la nature.
La seconde atomique : la révolution de l’exactitude
La réponse vint de la spectroscopie et de la physique quantique. Les atomes, lorsqu’ils passent d’un niveau d’énergie à un autre, émettent un rayonnement d’une fréquence spécifique. Dans le cas du césium 133, cette fréquence est remarquablement stable.
En 1967, la 13e Conférence générale des poids et mesures adopta une nouvelle définition de la seconde :
« 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. »
Ce moment marqua un tournant historique. Pour la première fois, l’unité de temps cessa de dépendre des astres pour dépendre d’un phénomène immuable de la physique atomique. Depuis lors, les horloges atomiques sont devenues l’étalon suprême de la précision.
De Paris au monde entier : les horloges au rythme du césium
La CGPM continue de superviser l’évolution des définitions du SI. En 2019, elle a redéfini le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole à partir de constantes universelles. L’unité de temps, en revanche, est restée ancrée dans le rayonnement du césium, même si l’on prépare la voie à de futurs étalons encore plus précis — comme les horloges à réseau optique.
Horloges à réseau optique
Ces dernières années, les horloges dites à réseau optique sont devenues les instruments de mesure du temps les plus précis. Elles se distinguent des horloges atomiques à césium par l’utilisation d’atomes neutres piégés dans un réseau optique – une structure de lumière laser qui immobilise les atomes dans des positions fixes.
Ces atomes sont excités par un rayonnement optique, de fréquences bien supérieures aux micro-ondes utilisées pour le césium, ce qui permet une résolution temporelle incomparable.
La précision de ces systèmes est telle que, selon les données les plus récentes, l’erreur accumulée serait inférieure à une seconde en 30 milliards d’années.
Bien que le césium n’ait pas encore été officiellement remplacé comme référence du Système international, les horloges à réseau optique sont les principales candidates à la future redéfinition de la seconde et sont actuellement testées dans des laboratoires nationaux de métrologie du monde entier.
Le Portugal : un pays sans heure légale
Au Portugal, on peut dire aujourd’hui que le temps n’existe pas, et à plus juste titre que dans d’autres pays, car après 145 ans au service du pays, l’Observatoire astronomique de Lisbonne a cessé d’être l’entité chargée de diffuser l’heure légale.
Depuis 2019, des modifications législatives et institutionnelles ont créé un vide de compétences, rendant impossible l’application de ce que prévoyait le décret-loi n° 279/79. La responsabilité de la diffusion de l’heure officielle devrait être transférée à l’Instituto Português da Qualidade, mais le processus législatif reste indéterminé.
En attendant, le pays demeure sans entité de diffusion active et sans une seule horloge publique indiquant officiellement l’heure.
Le Portugal, qui posséda jadis l’un des observatoires les plus prestigieux d’Europe, cesse ainsi d’avoir sa propre heure légale.
NOTES :
(1) Les Conseils Solvay sont nés de la vision et de la générosité d’Ernest Solvay (1838–1922), industriel et chimiste belge qui fit fortune grâce à la mise au point du procédé chimique de production du carbonate de sodium. Convaincu que le progrès scientifique exigeait le dialogue entre les plus grands penseurs de son temps, Solvay fonda, en 1911, une série de conférences scientifiques de haut niveau qui réunirent les physiciens les plus influents du monde dans un climat de débat libre et rigoureux. Son initiative culmina avec le célèbre cinquième conseil de 1927, consacré à la théorie quantique, où s’affrontèrent deux conceptions de la réalité : la vision déterministe d’Einstein et l’interprétation probabiliste de Bohr. Ernest Solvay ne fut pas seulement un mécène : il fut l’architecte d’un espace où la science eut la liberté de remettre en question ses propres fondements. Bien que ces conférences n’aient pas défini de normes métrologiques, elles furent déterminantes pour la construction théorique qui sous-tend la manière dont on mesure aujourd’hui le temps — notamment à travers la physique quantique sur laquelle reposent les horloges atomiques.
Références
Livres
Kragh, H. (1999). Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century. Princeton University Press.
Carroll, S. (2019). Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime. Dutton Books.
Byrne, P. (2010). The Many Worlds of Hugh Everett III. Oxford University Press.
Heisenberg, W. (1958). Physics and Philosophy. Harper.
Quinn, T. J. (2012). From Artefacts to Atoms. Oxford University Press.
Rovelli, C. (2017). The Order of Time. Allen Lane.
Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press.
Sites institutionnels et scientifiques
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