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Norman Ramsey, à l'origine des horloges atomiques, nous a quittés

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Les horloges atomiques du GPS de Galileo et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire se sont développées grâce à ses travaux qui lui ont valu le prix Nobel de physique. Norman Ramsey vient de décéder à l'âge de 96 ans.

Le prix Nobel de physique Norman Ramsey, né en 1915, est décédé à l'âge de 96 ans. Sportif, il continuait à faire du ski après le remplacement de son genou au début des années 1980 et il poursuivait son travail sur la structure du neutron au début des années 2000. © Adrienne Kolb, Fermilab History & Archives Project

Leon Lederman a reçu son prix Nobel pour ses travaux ayant conduit à l'identification des neutrinos muoniques. Ce sont des neutrinos similaires qui ont peut-être dépassé la vitesse de la lumière pendant l'expérience Opera. La mesure de la vitesse de ces neutrinos s'est faite avec des horloges atomiques. De son collègue, le prix Nobel de physique Norman Ramsey qui vient de décéder à l'âge de 96 ans, Lederman vient de déclarer : « Si vous faites une liste des plus brillants physiciens du XXe siècle, il sera parmi les meilleurs ».

Norman Ramsey avait commencé par faire des études de mathématiques et il a d'ailleurs écrit une introduction rapide au calcul différentiel et intégral. Mais son centre d'intérêt scientifique se déplaça rapidement vers la physique atomique alors naissante et le jeune homme qui était né en 1915 dans l'État de Washington traversa l'Atlantique pour aller côtoyer vers le milieu des années 1930 Rutherford et Dirac à Cambridge. Il reviendra aux États-Unis pour passer une thèse avec le futur prix Nobel Isidor Rabi, lequel travaillait alors sur l'influence des champs magnétiques sur les faisceaux moléculaires et les renseignements que l'on pouvait en tirer sur les moments magnétiques des noyaux les constituant.

Ramsey perfectionna certains travaux de Rabi en créant ce que l'on appelle aujourd'hui la méthode de Ramsey mais dont il parle lui comme la méthode des champs alternatifs séparés. Au final il jeta des bases sur lesquelles s'élèveront les horloges atomiques et l'imagerie par résonnance magnétique nucléaire.

Norman Ramsey devant un dispositif à faisceaux moléculaires. © AIP Emilio Segre Visual Archives

Ses travaux se révéleront importants en particulier pour le développement des horloges atomiques à césium sur lesquelles repose la définition de la seconde et du Temps atomique international (TAI), c'est-à-dire l'étalon de temps et l'échelle de temps de référence utilisés partout dans le monde. La seconde a ainsi été définie en 1967 lors de la 13e Conférence générale des poids et mesures comme étant 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.

Des masers à hydrogène pour Voyager et le GPS

Norman Ramsey lui-même, en compagnie de son étudiant de l'époque Daniel Kleppner, construira en 1960 la première horloge atomique basée sur un maser à hydrogène. Ce type d'horloge a été utilisé pour faire des tests précis de la Relativité générale, en particulier avec l'expérience Gravity Probe A, celle qui a précédé la sonde Gravity Probe B. Sans ces horloges qui ont servi à déterminer précisément leurs positions avec des radiotélescopes, les sondes des missions Voyager n'auraient pas pu effectuer leur navigation dans le Système solaire et permettre d'explorer les planètes ardentes d'André Brahic.

Les horloges avec maser à hydrogène nous concernent plus directement puisque ce sont elles qui équipent les satellites du programme Galileo. Quand nous utiliserons le GPS européen, il faudra donc avoir une pensée pour Norman Ramsey...

Du côté de la physique fondamentale, on pourrait bien avoir des surprises car là encore, l'horloge de Ramsey va être employée par le Cnes pour créer l'ensemble d'horloges atomiques spatiales le plus précis du monde (une erreur d'environ 1 seconde tous les 300 millions d'années).

Aces (Atomic Clock Ensemble in Space), composé donc d'un maser à hydrogène et de Pharao, horloge spatiale de nouvelle génération  à atomes de césium refroidis par laser, ne devrait pas tarder à rejoindre l'ISS. Avec Aces, les physiciens entendent bien vérifier si la constante de structure fine, une constante fondamentale, ne varie pas lentement dans le temps.

On mesure donc à quel point le prix Nobel de physique attribué à Norman Ramsey en 1989 était pleinement justifié.

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