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Seconde (temps)

La seconde est une unitĂ© de mesure du temps de symbole s (sans point abrĂ©viatif). Qualitativement, elle est d'une durĂ©e Ă©gale Ă  la soixantiĂšme partie de la minute, la minute Ă©tant elle-mĂȘme la soixantiĂšme partie de l'heure. C'est d'ailleurs l'Ă©tymologie du mot qui provient de la francisation Ă©courtĂ©e de l’expression minutum secunda en latin mĂ©diĂ©val, qui signifie littĂ©ralement minute de second rang, c’est-Ă -dire seconde division de l’heure.

Seconde
Cette animation représente un éclair qui se produit une fois par seconde.
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Informations
SystÚme Unités de base du SystÚme international
Unité de
 Temps
Symbole s

C'est une des unitĂ©s de base du SystĂšme international (SI), ainsi que du systĂšme CGS. Quantitativement, la seconde du SI est dĂ©finie par la durĂ©e d'un certain nombre d'oscillations (9 192 631 770 exactement) liĂ©es Ă  la frĂ©quence de transition hyperfine de l'atome de cĂ©sium. La mesure et le comptage de ces oscillations sont effectuĂ©es par les horloges atomiques.

Choix de la base 60

À partir du dĂ©but du IIe millĂ©naire av. J.-C., les MĂ©sopotamiens ont comptĂ© en base 60 en utilisant une numĂ©ration de position dĂ©rivĂ©e du systĂšme de numĂ©ration de type additif et de base mixte des SumĂ©riens. Ce systĂšme est gĂ©nĂ©ralement associĂ© Ă  la civilisation babylonienne, qui occupe le sud mĂ©sopotamien aprĂšs -1800 et jusqu'au dĂ©but de notre Ăšre. Cette base a traversĂ© les siĂšcles : on la retrouve aujourd'hui dans la notation des angles en degrĂ©s (360° = 6 × 60°) ou dans le dĂ©coupage du temps (1 heure = 60 minutes = 602 secondes).

Étalon de mesure du temps

La définition de la seconde, l'unité de temps dans le SystÚme international, a été établie selon les connaissances et les possibilités techniques de chaque époque depuis la premiÚre Conférence générale des poids et mesures en 1889.

  • Elle a d’abord Ă©tĂ© dĂ©finie comme la fraction 1⁄86400 du jour solaire terrestre moyen[alpha 1]. L’échelle de temps associĂ©e est le temps universel TU.
  • En 1956, pour tenir compte des imperfections de la rotation de la Terre qui ralentit notamment Ă  cause des marĂ©es, elle a Ă©tĂ© basĂ©e sur la rĂ©volution de la Terre autour du Soleil et dĂ©finie comme la fraction 1⁄31 556 925,974 7 de l’annĂ©e tropique 1900[1]. C’est la seconde du temps des Ă©phĂ©mĂ©rides TE.
  • Depuis la 13e ConfĂ©rence gĂ©nĂ©rale des poids et mesures, la seconde n’est plus dĂ©finie par rapport Ă  l’annĂ©e, mais par rapport Ă  une propriĂ©tĂ© de la matiĂšre ; cette unitĂ© de base du SystĂšme international a Ă©tĂ© dĂ©finie en 1967 dans les termes suivants :

« La seconde, symbole s, est l'unitĂ© du temps du SI. Elle est dĂ©finie en prenant la valeur numĂ©rique fixĂ©e de la frĂ©quence du cĂ©sium, , la frĂ©quence de la transition hyperfine de l'Ă©tat fondamental de l'atome de cĂ©sium 133 non perturbĂ©, Ă©gale Ă  9 192 631 770 lorsqu'elle est exprimĂ©e en Hz, unitĂ© Ă©gale Ă  s-1[2] - [3].

Cette dĂ©finition implique la relation exacte = 9 192 631 770 Hz. En inversant cette relation, la seconde est exprimĂ©e en fonction de la constante :

ou

Il rĂ©sulte de cette dĂ©finition que la seconde est Ă©gale Ă  la durĂ©e de 9 192 631 770 pĂ©riodes de la radiation correspondant Ă  la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de cĂ©sium 133 non perturbĂ©. »

La seconde, Ă©talon de mesure du temps, est ainsi un multiple de la pĂ©riode de l’onde Ă©mise par un atome de cĂ©sium 133 lorsqu’un de ses Ă©lectrons change de niveau d'Ă©nergie. On est ainsi passĂ© de dĂ©finitions, en quelque sorte descendantes, dans lesquelles la seconde rĂ©sultait de la division d’un intervalle de durĂ©e connue en plus petits intervalles, Ă  une dĂ©finition ascendante oĂč la seconde est multiple d'un intervalle plus petit.

Lors de sa session de 1997, le ComitĂ© international a confirmĂ© que la dĂ©finition de la seconde se rĂ©fĂšre Ă  un atome de cĂ©sium Ă  une tempĂ©rature de 0 K, c'est-Ă -dire au zĂ©ro absolu[2]. Cette derniĂšre prĂ©cision souligne le fait qu’à 300 K, la transition en question subit, par rapport Ă  sa valeur thĂ©orique, un dĂ©placement en frĂ©quence dĂ» aux effets de rayonnement du corps noir. Cette correction a Ă©tĂ© apportĂ©e aux Ă©talons primaires de frĂ©quence et donc au Temps atomique international (TAI) Ă  partir de 1997, quand elle a cessĂ© d’ĂȘtre nĂ©gligeable par rapport aux autres sources d’incertitude.

On dispose aujourd’hui d’une exactitude allant jusqu’à la 14e dĂ©cimale (10−14). L’exactitude et la stabilitĂ© de l’échelle dite du TAI obtenue principalement Ă  partir d’horloges atomiques Ă  jet de cĂ©sium sont environ 100 000 fois supĂ©rieures Ă  celles du temps des Ă©phĂ©mĂ©rides. C’est d’ailleurs l’unitĂ© du SI la plus prĂ©cisĂ©ment connue.

Unités dérivées

Unités et symboles normalisés dans le SI

Les prĂ©fixes du SystĂšme international d'unitĂ©s permettent de crĂ©er des multiples et sous-multiples dĂ©cimaux de la seconde. Si les sous-multiples dĂ©cimaux (milliseconde, microseconde, nanoseconde, etc.) sont d’un emploi assez frĂ©quent, les multiples (kiloseconde (ks) pour 1 000 secondes, mĂ©gaseconde, etc.) sont trĂšs peu usitĂ©s, les multiples de 60 (minute, heure) puis 24 (jour) leur Ă©tant prĂ©fĂ©rĂ©s.

Les multiples de la seconde en usage avec le SystĂšme international[4] sont :

  • la minute, de symbole min, dont la durĂ©e est de 60 secondes ;
  • l’heure, de symbole h, dont la durĂ©e est de 60 minutes, soit 3 600 secondes ;
  • le jour, de symbole d (du latin dies)[4], dont la durĂ©e est de 24 heures, soit 86 400 secondes (cette durĂ©e, diffĂ©rente du jour calendaire correspond approximativement Ă  celle d’un jour solaire).

Unités et notations usuelles dérivées du SI

Il existe d’autres unitĂ©s usuelles non dĂ©crites dans le SI, mais dĂ©rivĂ©es de celui-ci :

  • la tierce, de symbole t, ancienne unitĂ© dont la durĂ©e est de 1⁄60 de seconde ;
  • l’annĂ©e julienne, de symbole a (d'aprĂšs le latin annus ; souvent yr dans la littĂ©rature anglo-saxonne), d’une durĂ©e de 365,25 jours soit 31 557 600 secondes ;
  • l’annĂ©e sidĂ©rale, prĂ©cisĂ©e par son Ă©poque (servant Ă  dĂ©finir une autre unitĂ© de longueur dĂ©rivĂ©e du SI mais ne faisant pas partie formellement de celui-ci, l’annĂ©e-lumiĂšre), dĂ©finie par une durĂ©e prĂ©cise exprimĂ©e en secondes (prĂ©cisĂ©ment 31 471 949,27 secondes pour l’époque J2000.0 utilisĂ©e pour dĂ©finir l’annĂ©e-lumiĂšre) ;
  • le mĂštre, qui est une unitĂ© de longueur, et non de temps, mais qui a Ă©tĂ© dĂ©fini Ă  la distance parcourue par la lumiĂšre, dans le vide, en exactement 1⁄299792458 de seconde (cette dĂ©finition permet d’exprimer de façon Ă©quivalente les pĂ©riodes d’ondes Ă©lectromagnĂ©tiques sous forme de longueur d'onde ; toutefois le mĂštre reste encore considĂ©rĂ© comme une unitĂ© SI de base, non dĂ©rivĂ©e ; c’est aujourd'hui le temps (et non directement la distance) qu’on sait aujourd'hui mesurer le plus prĂ©cisĂ©ment (toute mesure d’une distance oblige Ă  changer de rĂ©fĂ©rentiel pour l’instrument de mesure, ne serait-ce que pour le construire, et Ă  synchroniser au moins deux mesures, ce qui nĂ©cessite aussi un temps nĂ©cessairement non nul).

Notations erronées

L'emploi d'une ou de deux primes (caractĂšres « â€Č » et « ″ ») comme symboles respectifs de la minute et de la seconde temporelles est incorrect[5], ces signes dĂ©signant la minute et la seconde d'arc, subdivisions du degrĂ© d'arc.

De mĂȘme il n’est pas correct d’utiliser des abrĂ©viations pour les symboles et noms d’unitĂ©s, comme « sec » (pour « s » ou « seconde »)[6].

Multiples et sous-multiples

Les préfixes du SystÚme international d'unités 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 :

10 N Nom Symbole QuantitĂ©[7]
1030quettasecondeQsQuintillion
1027ronnasecondeRsQuadrilliard
1024yottasecondeYsQuadrillion
1021zettasecondeZsTrilliard
1018exasecondeEsTrillion
1015pétasecondePsBilliard
1012térasecondeTsBillion
109gigasecondeGsMilliard
106mégasecondeMsMillion
103kilosecondeksMille
102hectosecondehsCent
101décasecondedasDix
1secondesUn
10−1dĂ©cisecondedsDixiĂšme
10−2centisecondecsCentiùme
10−3millisecondemsMilliùme
10−6microsecondeÎŒsMillioniĂšme
10−9nanosecondensMilliardiùme
10−12picosecondepsBillioniùme
10−15femtosecondefsBilliardiùme
10−18attosecondeasTrillioniùme
10−21zeptosecondezsTrilliardiùme
10−24yoctosecondeysQuadrillioniùme
10−27rontosecondersQuadrilliardiùme
10−30quectosecondeqsQuintillioniùme

Ordres de grandeur

On peut noter que l'Ăąge de l'univers, exprimĂ© en secondes, est voisin de 4,3 Ă— 1017 s, ce qui donne peu de sens aux durĂ©es bien plus grandes exprimĂ©es en zettasecondes ou yottasecondes.

De mĂȘme un milliard de secondes correspondent environ Ă  31 ans 8 mois et 8 jours, plus parlant Ă  l'Ă©chelle humaine.

À l'opposĂ©, dans le domaine des durĂ©es extrĂȘmement courtes, l’Institut Max-Planck d'optique quantique a mesurĂ© en 2004 la durĂ©e du trajet d’électrons excitĂ©s par les impulsions de 250 attosecondes d’un laser Ă  ultraviolets ; position mesurĂ©e toutes les 100 attosecondes, correspondant Ă  1 Ă— 10−16 s[8] - Ă  titre de comparaison, une attoseconde est Ă  une seconde ce qu'une seconde est Ă  environ 31,54 milliards d'annĂ©es. Pour avoir une meilleure idĂ©e de la prouesse, dans le modĂšle d’atome d’hydrogĂšne de Niels Bohr, l’orbite d’un Ă©lectron autour du noyau dure 150 attosecondes (mais les modĂšles atomiques actuels considĂšrent que l’électron ne tourne pas[alpha 2]).

L'Institut Max Born d’optique non linĂ©aire et de spectroscopie (MBI) de Berlin est parvenu Ă  Ă©tablir en 2010 le record de la plus faible durĂ©e d'impulsion contrĂŽlable, atteignant la durĂ©e de 12 attosecondes[9].

Les unitĂ©s de temps plus petites, zeptoseconde et yoctoseconde, ont peut-ĂȘtre encore un sens Ă  des Ă©chelles subatomiques, mais ne sont pas mesurables avec les instruments actuels.

Autres unités de temps usuelles non linéaires

D'autres unitĂ©s usuelles ne correspondent pas Ă  un nombre prĂ©cis de secondes, et ne sont donc pas des unitĂ©s de temps dans le SI, ni mĂȘme dĂ©rivĂ©es directement de celui-ci puisque ce ne sont que des approximations dans leur propre systĂšme non linĂ©aire, d’une durĂ©e rĂ©elle en secondes SI :

  • le jour solaire, tel qu'observĂ© encore aujourd’hui sur la Terre par les gĂ©ophysiciens et astronomes (et autrefois utilisĂ© aussi intuitivement comme unitĂ© calendaire) mais dont la durĂ©e rĂ©elle varie en permanence de façon irrĂ©guliĂšre, ainsi que ses unitĂ©s dĂ©rivĂ©es (semaine solaire, mois solaire, annĂ©e solaire), mais dont les noms sont encore plus ambigus selon l’astre de rĂ©fĂ©rence et le repĂšre tridimensionnel qui sert Ă  les compter (en nombre de rĂ©volutions terrestre entre les Ă©quinoxes, ou bien selon l’annĂ©e tropique observĂ©e) ;
  • l’ensemble des unitĂ©s calendaires (en nombre de rotations de la Terre pour l’alternance nuit/jour), toutes gĂ©ocentrĂ©es, connue du grand public et largement utilisĂ©es (jour, semaine, mois, annĂ©e, dĂ©cennie, siĂšcle, millĂ©naire, etc.), qui ne correspondent pas non plus exactement avec les unitĂ©s dĂ©rivĂ©es du SI ni mĂȘme exactement aux unitĂ©s solaires prĂ©cĂ©dentes ;
  • de mĂȘme, le jour calendaire est trĂšs usuellement subdivisĂ© 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 unitĂ©s (elles aussi calendaires) sont alors diffĂ©rentes de l’heure, la minute et la seconde dĂ©crite dans le SI, et mĂȘme de l’heure, la minute et la seconde solaire des gĂ©ophysiciens et astronomes.

Toutefois, dans de nombreux pays, l’heure lĂ©gale dans une journĂ©e calendaire est maintenant dĂ©terminĂ©e par une durĂ©e exprimĂ©e en heures, minutes et secondes du SI : le rĂ©ajustement des jours calendaires avec les jours solaires se fait aujourd'hui de temps en temps au moyen des secondes intercalaires, insĂ©rĂ©es ou supprimĂ©es Ă  certaines dates en fin de journĂ©e (de sorte que les jours calendaires lĂ©gaux font le plus souvent 24 h dans le SI, mais certains jours sont raccourcis ou augmentĂ©s 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 mĂȘme celui des secondes, minutes et heures calendaires, au prix d’une complexification de la durĂ©e lĂ©gale d’une journĂ©e calendaire.

Perspectives

Étalon de frĂ©quence 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 24e Conférence générale des poids et mesures[10], ces atomes et leurs fréquences ont été ajoutés aux représentations secondaires de la seconde[11].

D'aprÚs les publications sur les performances de ces étalons de fréquence (dont Nature de ), ces horloges pourraient dans le futur conduire à une nouvelle définition de la seconde[12].

Notes et références

Notes

  1. Une journĂ©e de 24 h correspond Ă  24 Ă— 60 Ă— 60 = 86 400 secondes.
  2. Cf. atome

Références

  1. Brochure SI 2019, p. 18
  2. Brochure SI 2019, p. 18
  3. Les unités de mesure : le SI
  4. Brochure SI 2019, p. 33
  5. Afnor X 02-003 - Normes fondamentales — Principes de l'Ă©criture des nombres, des grandeurs, des unitĂ©s et des symboles - § 6.4 : « Il ne faut en aucun cas substituer Ă  ces symboles des abrĂ©viations, mĂȘme si elles peuvent paraĂźtre logiques ou cohĂ©rentes, ni remplacer un symbole par un autre ». :
    Nom Symbole Ne pas Ă©crire
    Unité de temps seconde s sec, "
    minute min mn, '
    UnitĂ© d'angle seconde (d'arc ou d’angle) " s
    minute (d'arc ou d’angle) ' min
  6. Brochure SI 2019, p. 35
  7. L'échelle longue utilisée ici est la référence dans les pays francophones, notamment en France, au Canada, ainsi que généralement en Europe (sauf en Grande-Bretagne).
    L'Ă©chelle courte est utilisĂ©e avant tout par les États-Unis d'AmĂ©rique, le BrĂ©sil, la Grande-Bretagne et les autres pays de langue anglaise (sauf le Canada).
  8. (en) Electron movements pinned down to the split second, Nature 427, 26 février 2004
  9. AprĂšs plus de 15 ans de fonctionnement, le service de veille www.bulletins-electroniques.com animĂ© par l'ADIT s’est arrĂȘtĂ© fin juin 2015.
  10. RĂ©solution 8 de la 24e CPGM (2011)
  11. Réalisation pratique des définitions des principales unités, BIPM, 30 novembre 2018
  12. (en) Experimental realization of an optical second with strontium lattice clocks, Nature Communications 4, juillet 2013

Annexes

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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