Si vous avez lu Comment fonctionnent les récepteurs GPS, vous savez que les horloges atomiques sont extrêmement importantes pour le système. Vous entendez aussi fréquemment parler d'horloges atomiques dans les publicités pour les nouvelles horloges qui se synchronisent automatiquement avec l'horloge atomique de Boulder, Colorado. Les horloges atomiques sont également importantes pour diverses activités scientifiques.
Commençons donc par la notion générale d'horloge. Le travail d'une horloge est de suivre le passage du temps. Toutes les horloges le font en comptant les « ticks » d'un « résonateur ».
Dans une horloge à pendule, le résonateur est un pendule et les engrenages de l'horloge gardent une trace du temps en comptant les résonances (les oscillations d'avant en arrière) du pendule. Le pendule résonne généralement à une fréquence d'une oscillation par seconde. Une horloge numérique utilise soit les oscillations de la ligne électrique (60 cycles par seconde aux États-Unis, 50 cycles par seconde en Europe) ou les oscillations d'un cristal de quartz comme résonateur, et compte à l'aide de compteurs numériques. La précision de l'horloge est déterminée par la précision du résonateur à la fréquence spécifiée.
Un horloge atomique est une horloge qui utilise les fréquences de résonance de atomes comme son résonateur. Selon l'Encyclopédie Britannica, le résonateur est "régulé par la fréquence du rayonnement électromagnétique micro-onde émis ou absorbé par la transition quantique (changement d'énergie) d'un atome ou d'une molécule". (Voir le National Institute of Standards and Technology pour un diagramme et une description du processus.)
L'avantage de cette approche est que les atomes résonnent à extrêmement fréquences cohérentes. Si vous prenez un atome de césium et lui demandez de résonner, il résonnera exactement à la même fréquence que tout autre atome de césium. Le césium-133 oscille à 9, 192, 631, 770 cycles par seconde. Ce type de précision est complètement différent de la précision d'une horloge à quartz. Dans une horloge à quartz, le cristal de quartz est fabriqué de telle sorte que sa fréquence d'oscillation soit proche d'une fréquence standard; mais les tolérances de fabrication font que chaque cristal est légèrement différent, et des choses comme la température changeront la fréquence. Un atome de césium résonne toujours à la même fréquence connue -- c'est ce qui rend les horloges atomiques si précises.
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