Selon le portail chinois ScienceNet, qui relaie une étude parue dans la revue Nature, une équipe de physiciens a présenté l'horloge la plus précise jamais construite. Elle repose sur des atomes de lutécium et ne se décalerait que d'une seconde en plus de 260 milliards d'années, soit près de vingt fois l'âge de l'Univers. Rapporté en termes relatifs, cela représente une incertitude de l'ordre de 10⁻¹⁹. Il faut préciser d'emblée que la composition exacte de l'équipe, les institutions en cause et les valeurs détaillées doivent être vérifiées dans l'article original de Nature, que nous n'avons pas pu consulter directement. Le résultat s'inscrit toutefois dans une course de fond que les métrologues mènent depuis deux décennies, et ce record en marque une étape de plus.
Comment fonctionne une horloge optique
Toute horloge compte les oscillations d'un phénomène périodique : un pendule, un cristal de quartz ou, dans le cas des horloges atomiques, la fréquence de la lumière qui fait passer un électron d'un niveau d'énergie à un autre. Cette fréquence est fixée par les lois de la physique. Elle est identique pour tous les atomes d'une même espèce, ce qui en fait un étalon universel.
Depuis 1967, la seconde est définie à partir de l'atome de césium 133 : elle correspond à 9 192 631 770 oscillations d'une transition située dans le domaine des micro-ondes. Les horloges dites optiques exploitent plutôt des transitions dans le visible ou le proche infrarouge, dont la fréquence est des dizaines de milliers de fois plus élevée. Plus une horloge « découpe » le temps en tranches fines, plus elle peut le mesurer finement, un peu comme une règle graduée au millimètre plutôt qu'au centimètre.
Le principe reste le même d'un laboratoire à l'autre. On piège des atomes ou des ions, on les refroidit par laser à des températures proches du zéro absolu, puis on accorde un laser ultrastable sur la transition atomique. Un peigne de fréquences optiques, une invention récompensée par le prix Nobel de physique en 2005, sert ensuite d'engrenage pour convertir ces oscillations trop rapides en un signal exploitable électroniquement.
Césium, strontium, ytterbium… et lutécium
Les horloges optiques se répartissent en deux grandes familles. Les horloges à réseau optique piègent des milliers d'atomes neutres, par exemple de strontium ou d'ytterbium, dans une grille de lumière. Le grand nombre d'atomes leur donne une excellente stabilité. Les horloges à ion unique, basées sur l'aluminium, l'ytterbium ionisé ou le lutécium, interrogent au contraire une particule chargée isolée dans un piège électromagnétique, à l'abri de nombreuses perturbations.
Plusieurs de ces horloges ont déjà franchi le seuil de 10⁻¹⁸. En 2024, le laboratoire JILA, à Boulder au Colorado, a publié une horloge au strontium dont l'incertitude systématique se situait sous 10⁻¹⁸. En 2025, le NIST américain a fait état d'une horloge à ion d'aluminium du même ordre de grandeur.
Le lutécium intéresse les physiciens pour une raison précise : ses transitions d'horloge sont particulièrement peu sensibles au rayonnement thermique ambiant. Or le rayonnement de corps noir, c'est-à-dire la chaleur émise par les parois de l'appareil, déplace légèrement la fréquence des atomes. C'est l'une des principales sources d'erreur des horloges au strontium, qui doivent contrôler leur environnement thermique avec un soin extrême. Une horloge peu sensible à la température simplifie donc le problème à la source. Elle serait aussi plus facile à rendre transportable, un atout pour la suite.
Vers une nouvelle définition de la seconde
Ce type de record alimente directement un chantier institutionnel. Le Bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres, près de Paris, et son Comité consultatif du temps et des fréquences préparent le remplacement de la définition fondée sur le césium. La meilleure fontaine à césium est aujourd'hui environ cent fois moins exacte que les meilleures horloges optiques. L'étalon officiel est donc devenu moins bon que les instruments qu'il sert à étalonner.
La Conférence générale des poids et mesures a adopté en 2022 une feuille de route vers une redéfinition. La communauté vise les années 2030 pour qu'elle entre en vigueur. Deux options sont sur la table. La première consiste à choisir un seul atome de référence. La seconde s'appuie sur une moyenne pondérée de plusieurs transitions atomiques. Certains métrologues proposent même de fixer la valeur d'une constante fondamentale. Avant de trancher, les critères du BIPM exigent que plusieurs laboratoires indépendants obtiennent des résultats concordants et que des comparaisons internationales atteignent le niveau de précision voulu. Un record isolé, aussi impressionnant soit-il, ne suffit pas.
À quoi sert une telle précision
La navigation par satellite en est l'exemple le plus connu. GPS, Galileo, BeiDou et GLONASS calculent une position à partir du temps que mettent les signaux à parcourir la distance entre satellite et récepteur. Une erreur d'une milliardième de seconde correspond à environ 30 centimètres. Les horloges embarquées ne sont pas encore optiques, mais de meilleurs étalons au sol améliorent l'ensemble de la chaîne.
La synchronisation des réseaux dépend elle aussi de références temporelles fiables. Les télécommunications 5G, les réseaux électriques et les transactions financières à haute fréquence en ont besoin, et les échanges boursiers sont horodatés à la microseconde.
La géodésie relativiste constitue sans doute l'application la plus spectaculaire. Selon la relativité générale d'Einstein, le temps s'écoule un peu plus vite en altitude, là où la gravité est plus faible. À un niveau de 10⁻¹⁸, une horloge détecte une différence d'altitude d'environ un centimètre. Des horloges ainsi comparées pourraient cartographier le champ de gravité terrestre et définir un niveau de référence commun entre pays, qui ne dépendrait plus des marégraphes. Elles pourraient aussi suivre des mouvements de masse sous la surface, liés aux volcans, aux nappes phréatiques ou à la fonte des glaces.
La physique fondamentale figure enfin parmi les usages. Des atomes différents réagissent différemment à une éventuelle variation des constantes de la nature, comme la constante de structure fine. En comparant sur des années des horloges fondées sur des éléments distincts, les chercheurs traquent des dérives infimes que le modèle standard n'explique pas. Certaines hypothèses sur la matière noire prédisent qu'elle ferait osciller ces constantes de façon minuscule. Des réseaux d'horloges pourraient détecter une telle oscillation, ou au contraire l'exclure. Le lutécium présente ici un intérêt particulier, puisqu'il offre deux transitions d'horloge au sein d'un même ion.
Les nuances à garder en tête
Le chiffre des 260 milliards d'années doit être lu avec prudence. En métrologie, il faut distinguer la stabilité de l'exactitude. La stabilité mesure la constance du tic-tac d'une horloge d'un instant à l'autre. L'exactitude indique à quel point sa fréquence est proche de la valeur « vraie » de la transition, une fois toutes les perturbations évaluées et corrigées. Une horloge peut être très stable tout en étant légèrement fausse, comme une montre qui avance régulièrement de cinq minutes. Les formules du type « une seconde d'écart en tant d'années » découlent en général de l'incertitude systématique annoncée, c'est-à-dire de l'exactitude. Il faut vérifier dans Nature de quelle grandeur il s'agit exactement.
La reproductibilité pose une deuxième limite. L'évaluation des erreurs repose en partie sur la modélisation propre à chaque équipe. Pour que le résultat compte dans la redéfinition de la seconde, d'autres laboratoires devront construire leurs propres horloges au lutécium et retrouver les mêmes valeurs.
Reste enfin la comparaison entre continents, sans doute le goulot d'étranglement principal. Deux horloges situées dans la même pièce se comparent facilement. Relier des horloges distantes de milliers de kilomètres est bien plus difficile. Les liaisons par satellite plafonnent loin du niveau de 10⁻¹⁸. Les fibres optiques stabilisées, déployées notamment en Europe, font mieux, mais elles ne traversent pas les océans. Il faut en outre connaître l'altitude de chaque horloge au centimètre près, sans quoi l'effet relativiste brouille la comparaison. C'est pour lever ce verrou que des projets d'horloges transportables et de liaisons laser spatiales sont à l'étude.
Le record du lutécium confirme la vitalité d'une discipline où les gains se comptent en ordres de grandeur. Sa véritable portée se mesurera toutefois à l'aune des comparaisons indépendantes à venir, et au poids qu'il aura dans le choix, attendu dans les prochaines années, de la nouvelle seconde.