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24 heures et une seconde chrono, la bombe à retardement du 30 juin

Ajustez vos pendules, ce 30 juin 2015 durera 24 heures et une seconde (REUTERS/Vivek Prakash)

Ajustez vos pendules, ce 30 juin 2015 durera 24 heures et une seconde (REUTERS/Vivek Prakash)

Ce mardi durera une petite seconde de plus pour ajuster la mesure du temps au rythme de rotation de la Terre. Au risque de perturber de nombreuses horloges électroniques comme se fut déjà le cas en 2012. Explications.

Pour suivre le tic-tac de la vie, l'outil le plus précis du monde répond au doux nom de NIST-F2. C'est une horloge atomique à fontaine de césium qui se trouve à l'Institut national des normes et de la technologie de Boulder, dans le Colorado. De la même manière qu'un cylindre de platine iridié dont une copie officielle est conservée sur le campus du NIST à Washington est considéré comme le kilogramme des kilogrammes, les pulsations délivrées par cette horloge n'en font pas seulement un appareil de mesure du temps, mais l'appareil de mesure du temps par excellence [1].

 

La principale échelle de temps mondiale, le Temps Universel Coordonné, est calibrée grâce aux données d’horloges atomiques situées aux quatre coins du globe, y compris la NIST-F2. Étant donné que cette dernière est plus précise que les autres horloges atomiques, on peut raisonnablement dire que c’est l’horloge la plus précise jamais créée par l’humanité. Elle est même plus précise que Mère Nature, un constat à la fois vrai et controversé, pour des raisons que nous verrons dans une petite minute parfaitement calculée.

Qu'est-ce qu'une seconde?

La NIST-F2 fonctionne en jouant avec la rotation d'électrons. Cette machine de presque 4 mètres de haut utilise des lasers pour rassembler près de 100 millions d’atomes de césium dans un espace réduit qui ralentit leur mouvement et fait baisser leur température à quasiment zéro degré. D’autres lasers poussent le groupe d’atomes dans une chambre à micro-ondes, puis la gravité le fait revenir. La radiation à micro-ondes précisément calibrée modifie l’état des atomes de césium. Dans les années 1950, des scientifiques ont calculé le nombre de cycles de cette radiation qui se produisent au cours la définition astronomique la plus précise d’une seconde.

Une seconde, dans
le sens classique du terme, ne correspond pas à un soixantième d’une minute
ou même à un
des 86 400 moments d’une journée

Ce nombre est de 9 192 631 770, ce qui pour la plupart d’entre nous ne correspond qu’à un amas de chiffres, mais les passionnés reconnaissent ça en un instant. Une seconde, dans le sens classique du terme, ne correspond pas à un soixantième d’une minute ou même à un des 86 400 moments d’une journée. C’est «la durée de 9 192 631 770 cycles de radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux de structure hyperfine de l’état fondamental de l’atome de césium 133».

Il n’y a sans doute rien de plus essentiel dans notre monde hyper-connecté qu’un calcul précis du temps. Prenons l’exemple du réseau électrique: la production d’électricité est une gestion très rapide et délicate entre demande et réponse à la demande, qui s’appuie sur une synchronisation parfaite pour satisfaire les besoins. Une erreur d’une poignée de microsecondes pourrait plonger la moitié d’un pays dans le noir.

Horloge atomique vs rotation de la Terre

Le problème se pose pour tous les systèmes qui régissent la vie moderne: le contrôle du trafic aérien, les échanges boursiers, les documents légaux marqués par time code, les usines automatisées, le guidage des missiles, la chirurgie assistée par robot, la météo, les réseaux de téléphonie mobile, l’observation astronomique et la navigation automobile. Notre monde s’appuie sur des ordinateurs qui s’échangent constamment des paquets de données. Pour ce faire, ils doivent s’accorder sur l’heure exacte qu’il est et qu’il sera d’ici X secondes. Ce n’est pas l’argent qui fait tourner le monde. C’est le calcul précis du temps.

Mais la précision remarquable rendue possible par les horloges atomiques pose un problème singulier, un problème qui s’est tellement bien fondu dans notre infrastructure numérique qu’il semble dérisoire.

Et pourtant, il a son importance.

Ce problème, c’est le mélange de deux échelles de temps. Le temps calculé par les horloges atomiques n’est pas le même que celui déterminé par la première des horloges: la Terre en rotation. Alors que les meilleures horloges atomiques actuelles ont une marge d’erreur qui correspond à environ une seconde mal calculée tous les 100 millions d’années, la Terre, en comparaison, n’est pas fiable. Ce manque de fiabilité est dû au fait que la rotation de la planète n’est pas régulière et ralentit progressivement. (Vous avez peut-être l’impression que le temps file à toute vitesse, mais les jours s’allongent, même lentement.) Cette décélération progressive, associée à des changements à plus court terme de la vitesse de rotation de la Terre, font du ciel une horloge vraiment peu fiable.

Avant minuit, une 26e seconde intercalaire

Pour éviter que nos horloges atomiques soient trop en avance sur le temps déterminé par la rotation terrestre, tous les un ou deux ans les maîtres du temps mondial rajoutent une seconde au temps atomique avant de transmettre ce temps ajusté au monde comme le Temps Universel Coordonné.

Cet ajustement est modestement appelé la seconde intercalaire. Dix d’entre elles ont été ajoutées en une seule fois au Temps Universel en 1972, et 25 autres ont été ajoutées depuis. L’arrivée de la 26e est prévue pour le 30 juin en fin de journée, juste avant minuit. La décision est prise à chaque fois que la différence entre le temps de rotation de la Terre et le temps atomique risque de dépasser les 0,9 secondes. Dans les décennies et siècles à venir, ces ajustements deviendront plus fréquents, à hauteur d’une fois par mois, si ce n’est plus.

Puisque
le mouvement de
la Terre n’est pas prévisible, on ne peut pas non plus prévoir les secondes intercalaires

Ce changement peut  provoquer toutes sortes de problèmes. À l’été 2012, les horloges détraquées ont enflammé Internet. «Bug de l’an 2000 2.0: comment une seconde a mis à genoux la moitié d’Internet», titrait Buzzfeed à l’époque. Des pannes temporaires ont été relevées sur Reddit, Mozilla, Gawker, LinkedIn, StumbleUpon, Yelp, le système de réservation de Qantas Airlines, et d’autres. Quelques années avant cela, à cause de la seconde intercalaire, une entreprise pharmaceutique a perdu tout un stock de médicaments restés trop longtemps dans la chaîne de fabrication, et les chasseurs d’un porte-avions américain n’étaient pas tous calés sur la même échelle de temps, au point d’être parfois en décalage de près d’une minute.

Le souci vient en partie du fait que les secondes intercalaires ne peuvent pas être prévues de façon régulière, contrairement aux années bissextiles. Ce sont toutes deux des ajustements qui permettent de compenser le fait que le calendrier ne correspond pas parfaitement à la nature. Mais puisque le mouvement de la Terre n’est pas prévisible, on ne peut pas non plus prévoir les secondes intercalaires. Ce qui signifie que les informaticiens ont six mois tout au plus pour s’y préparer.

Le bug de l'an 2015?

Une partie du monde du calcul du temps pense que de tels problèmes sont les signes avant-coureurs d’un désastre à venir. Quand la seconde intercalaire a été rajoutée en 2012, les ingénieurs de l’EGNOS, le système européen de navigation par satellite, ont rapporté qu’ils ne pouvaient pas prévoir l’impact du changement, et que cela pourrait nécessiter un temps mort de près de 72 heures pour s’y adapter. La chance était de leur côté puisqu’il n’est rien arrivé d’horrible, mais cet épisode n’inspire pas vraiment confiance en notre capacité à gérer ce changement occasionnel de l’échelle du temps qui régit quasiment toute la civilisation moderne.

Pour cet été, les contrôleurs aériens de l’aéroport international de Copenhague ont décidé que la manière la plus simple de gérer les choses à l’arrivée d’une seconde intercalaire serait de prévenir les pilotes qu’ils seront livrés à eux-mêmes pour quelques minutes, se déconnecter, redémarrer le système et recontacter les avions. Un tel système peut fonctionner dans un petit aéroport européen, explique Poul Henning-Kemp, consultant danois en informatique spécialiste des réglages liés aux secondes intercalaires. 

«Mais ce n’est pas une solution valable pour des aéroports à Tokyo ou Los Angeles, où les secondes intercalaires sont ajoutées pendant les heures de pointe.»

Adieu, roi soleil

Ceux qui sont en défaveur de la seconde intercalaire expliquent que cette astuce qui auparavant était satisfaisante et même ingénieuse s’est transformée en un problème au mieux très onéreux, au pire une véritable bombe à retardement. Selon, eux, le monde devrait abandonner l’idée de se caler sur la position du soleil, et les horloges atomiques devraient définir la durée du jour, point final.

Faut-il abandonner
le soleil une bonne fois pour toutes
et se caler uniquement sur
le rythme effréné
de particules subatomiques

Dans l’autre camp, il y a un petit groupe d’astronomes inébranlables –et le gouvernement britannique. Ils avancent que la seconde intercalaire était et reste une solution astucieuse, et que calculer le temps sans se référer à la position des objets célestes est contraire à notre compréhension de l’Univers et de la place que nous y tenons. Nous remettons tout le temps nos pendules à l’heure: pour le passage à l’heure d’été, lorsqu’on change de fuseau horaire, ou si une vieille horloge a besoin d’être remontée. Alors en quoi cet ajustement en particulier est-il si horrible?

Quel que soit son point de vue, le problème est devenu crucial. Cet automne, à Genève, la communauté internationale en charge de définir une notion standard du temps se réunira afin de décider du sort de la seconde intercalaire. Ce sont surtout des bureaucrates et non des scientifiques qui prendront la décision. Faut-il abandonner le soleil une bonne fois pour toutes et se caler uniquement sur le rythme effréné de particules subatomiques? Ou faut-il continuer de se fier au ciel, en ajustant les horloges mondiales une fois de temps en temps pour éviter qu’elles ne soient trop désynchronisées par rapport au temps déterminé par Greenwich, en Angleterre?

La fin du temps des compromis?

La question fascinerait sans doute les grands esprits de l'Égypte ancienne. C'est là, il y a au moins 4 000 ans, que la division de la journée en segments – l’invention des heures, en fait– fut adoptée. La synchronisation des horloges est ensuite devenue nécessaire bien plus tard, au XIXe siècle, quand l’expansion rapide du chemin de fer a permis de comprendre que le temps ne pouvait pas être qu’une mesure à l’échelle locale. En 1884, des représentants du monde entier se sont réunis à Washington pour parvenir à un accord international sur le temps et la longitude  et définir une norme. C’est à ce moment-là que le Temps Moyen de Greenwich a été désigné comme la référence, la base sur laquelle toutes les horloges du monde se régleraient. Chaque degré de longitude dans le monde correspondrait à une différence de quatre minutes par rapport à l’heure moyenne solaire sur cette verdoyante colline à l’est de Londres.

Dans les années 1950, le physicien Louis Essen construit la première horloge atomique. Comme il l’a écrit, il était devenu clair que la norme pour la seconde de l’époque, la rotation de la Terre, «ne correspondait plus de façon adéquate aux applications pratiques du monde moderne dans les domaines de la navigation aérienne et la communication». Les secondes déterminées par l’observation astronomique avaient fait leur temps.

En 1967, la nouvelle norme est adoptée de façon définitive, ou du moins jusqu’à ce qu’une meilleure solution ne se présente.

L'horloge atomique ne donne pas l’heure du jour, bien sûr, mais ce n’est pas ce dont on a besoin

Louis Essen

L’horloge atomique, remarque Essen, «ne donne pas l’heure du jour, bien sûr, mais ce n’est pas ce dont on a besoin». Ce n’est pas nécessaire parce que la répartition des moments de la journée n’est qu’une notion sociale. Pourtant, dès que l’heure atomique est devenue la nouvelle norme, une question s’est posée: comment intégrer cette norme à la notion du temps du point de vue de la civilisation (ou du moins l’intégrer à la notion que midi et le soleil à son zénith sont liés)? Essen était persuadé que la seconde intercalaire «constituait un bon compromis».

Le monde se retrouverait alors tout simplement avec deux notions de temps, l’une déterminée par les horloges atomiques, l’autre par la bonne vieille méthode céleste. Elles pourraient être en léger décalage, mais pas trop. Facile.

La porte grande ouverte à l'erreur

 

Facile, oui, sauf pour le GPS. Introduite dans les années 1970, la technologie de guidage par satellite offre une précision de localisation et de données temporelles sans précédent. Au cours des décennies suivantes, les programmeurs informatiques commencent à caler les horloges de nombreux logiciels sur le système temporel du GPS au lieu du Temps Universel Coordonné –celui qui a droit à la seconde intercalaire.

Vers la fin des années 1990, l’astronome Dennis McCarthy, de l’Observatoire naval des États-Unis, a eu vent d’un certain nombre de bugs et de soucis liés à l’implantation de la seconde intercalaire, et a assisté à pas mal de soirées chaotiques d’insertion de la seconde intercalaire à l’observatoire, à tel point qu’il commença sérieusement à envisager l’arrêt pur et simple de cette pratique. McCarthy, qui monte en grade jusqu’à devenir directeur de la branche temporelle de l’observatoire, a commencé à écrire et à s’exprimer sur l’éventualité que la seconde intercalaire avait peut-être fait son temps.

Le temps est
une succession de petits événements que l’on appelle secondes. On ne peut pas se permettre d’interrompre
cette séquence 

Elisa Felicitas Arias

Il existe deux grandes catégories de problèmes causés par les secondes intercalaires. La première concerne la cohabitation entre les signaux GPS et les signaux UTC (Temps Universel Coordonné): dans une transmission GPS en provenance d’un satellite, il y a un petit segment de code qui, en gros, explique que la différence entre le temps GPS et le temps UTC est de X secondes. À chaque seconde intercalaire, cette information doit être changée dans le message GPS. En d’autres termes, c’est la porte ouverte à l’erreur. L’autre danger potentiel est lié à l’interruption de ce qui est censé être une séquence ininterrompue. 

«Le temps est une succession de petits événements que l’on appelle secondes, explique Elisa Felicitas Arias, directrice du département Temps au bureau international des poids et mesures de Paris. On ne peut pas se permettre d’interrompre cette séquence.»

En 2004, une délégation américaine de l’Union Internationale des Communications, menée par McCarthy, a formellement proposé de mettre fin au principe de seconde intercalaire. Les réactions furent mitigées.

«Selon moi, quand il y a un bug, on le répare. Ça ne veut pas dire qu’on redéfinit le temps», confie Rob Seaman, spécialiste des données au National Optical Astronomy Observatory de Tucson. 

Un œil sur Mars, le soleil et la Terre

Abandonner la seconde intercalaire mènera à des changements onéreux et difficiles sur les télescopes du monde entier car ce sont, d’une certaine manière, des horloges, qui mesurent l’espace-temps. Mais la plus grande critique de Seaman et d’autres scientifiques est que régler l’heure sans tenir compte de la position des objets célestes revient à séparer le soleil de nos horloges. Il n’est pas possible de définir un moment de la journée –une second– rien qu’en regardant un appareil électronique. Il faut aussi regarder le ciel.

Prenons l’écoulement du temps sur une autre planète, par exemple. Les jours sur Mars ne durent pas 24 heures, mais ils comportent un lever et un coucher de soleil, et quelques minutes entre deux, comme sur Terre. Un jour n’est donc pas et ne peut pas être une norme décidée arbitrairement.

Près de quarante ans après l’introduction de cette pratique, aucune catastrophe apocalyptique du genre bug de l’an 2000 prévue par certains ne s’est produite

D’autant que la seconde intercalaire fonctionne plutôt bien, selon Peter Whibberley, chercheur en chef du temps et de la fréquence au National Physical Laboratory de Grande-Bretagne. Près de quarante ans après l’introduction de cette pratique, aucune catastrophe apocalyptique du genre bug de l’an 2000 prévue par certains ne s’est produite. «Ou alors s’il y en a eu, nous n’en avons pas entendu parler.»

Pour Whibberley, puisque nous vivons déjà dans un monde régi par le temps atomique et non par la rotation de la Terre, le débat autour de la seconde intercalaire ne concerne pas vraiment le calcul du temps. Les horloges atomiques font ça très bien, merci. Mais grâce à la seconde intercalaire, nous pouvons à la fois savoir combien de secondes se sont écoulées tout en sachant quel est le moment de la journée en termes astronomiques, ou du moins avec une marge de 0,9 secondes. 

«Nous ne faisons que modifier la façon dont nous qualifions le temps quand il s’affiche sur nos horloges [de tous les jours]», indique Whibberley.

Une fierté anglaise mal placée?

S’il existe des raisons irréfutables de changer les choses, Whibberley ne les a pas constatées. À côté de ça, ne devrait-on pas mettre la responsabilité sur ceux qui veulent changer les choses pour prouver que leur nouvelle approche sera supérieure au statu quo, et comment savoir que cette nouvelle méthode ne provoquera pas des désagréments inattendus?

Certains experts ont suggéré que l’attachement de la Grande-Bretagne à la seconde intercalaire avait davantage à voir avec la fierté nationale et la préservation du prestige du Temps Moyen de Greenwich qu’avec une logique scientifique, technique ou même économique. Whibberley est loin d’être d’accord avec ça. Pour le prouver, il fait part d’un projet de loi soumis au Parlement pour faire passer la Grande-Bretagne du GMT au temps européen, surtout pour des raisons économiques. Ce qui ne ressemble pas vraiment à une position de politiques aveuglés par la nostalgie.

Je pense que sans seconde intercalaire, nous finirons
par perdre le lien entre le temps et l’expérience de jour et nuit du peuple
la citation

David Willetts, le ministre
des Sciences britannique

Pourtant, l’an dernier, le ministre des Sciences, David Willetts, mettait en garde contre le risque de rendre «le temps vide de sens» si les dirigeants du monde décidaient de supprimer la seconde intercalaire. 

«Je pense que sans seconde intercalaire, nous finirons par perdre le lien entre le temps et l’expérience de jour et nuit du peuple… les corrections relativement fréquentes mais modestes valent mieux que la création d’un fossé. Le Temps Moyen de Greenwich se décalerait progressivement vers l’Ouest, aux États-Unis. Je veux qu’il reste en Grande-Bretagne.»

En fait, le glissement passerait d’abord par Paris, à l’Est, où Arias du bureau international des poids et mesures trouve ironique que la Grande-Bretagne, le pays où l’horloge atomique est née, défende maintenant si bruyamment ce qu’elle appelle une «discontinuité imaginaire du temps».

Des difficultés trop bien cachées?

Pour des gens comme McCarthy, le débat sur des couchers de soleil à l’heure du déjeuner dévie du vrai problème (et des vrais dangers) en question. Le problème, c’est que les entreprises et institutions qui connaissent des difficultés à cause de la seconde intercalaire ont peu de raisons de rendre ces problèmes publics, et ont toutes les raisons de les garder secrets. Vous vous sentiriez en sécurité, vous si, par exemple, on vous disait que certains éléments dans l’armée, ou que les dirigeants des marchés financiers avaient du mal à rester à l’heure?

En 2008, McCarthy a assisté à une conférence au Naval Observatory, donnée par Kamp, le consultant danois. Kamp a partagé une étonnante anecdote avec l’assemblée: au cours d’un ajout de seconde intercalaire il y a quelques années, un nouveau système de contrôle radar dans un certain pays (que Kamp n’a pas voulu divulguer) s’est soudain mis à reproduire des enregistrements radar datant de l’année d’avant.

Pour que ça change, il faudrait quelque chose d’irréversible, bref, que des gens meurent

McCarthy

McCarthy a pensé que c’était le genre preuve dont il avait besoin pour enfin gagner la partie contre des sceptiques qui pensent que la seconde intercalaire est pittoresque, sans danger, et plutôt cool. Mais puisque rien de catastrophique n’est arrivé (les écrans radar sont vite revenus à la normale), les avertissements de McCarthy ont une fois encore été peu écoutés. 

«C’est l’expérience la plus frustrante de ma vie, avoue-t-il. On ne peut pas continuer de mettre ça de côté et faire comme si ce n’était pas un problème.»

Dans l'attente d'une tragédie

Après des années d’évitement, d’impasses et de fausses résolutions pour repousser encore un peu plus le problème, 2015 est, ou en tout cas a de grandes chances d’être une vraie échéance pour l’agence des Nations Unies chargée de se mettre d’accord sur ce sujet. 

«Si on met de côté les réunions de 2015 sans changer la définition du Temps Universel Coordonné, il ne changera pas avant de très nombreuses années», pense Arias. 

Mais peu de gens sont optimistes quand à l’issue des délibérations à venir. McCarthy, même en ayant passé un nombre incalculable d’heures de sa vie sur ce sujet, est maintenant convaincu que rien n’arrivera tant qu’une tragédie ne forcera pas les choses. 

«Il faudrait quelque chose d’irréversible, bref, que des gens meurent.»

1 — Dans une version initiale de ce papier, il était écrit que seul le cylindre conservé à Washington était considéré comme le kilogramme des kilogrammes. En réalité, il en existe plusieurs dans le monde. Il était aussi spécifié que la principale échelle de temps mondiale, le Temps Universel Coordonné, était calibrée grâce aux données d’horloges atomiques situées aux quatre coins du globe. C'est toujours le cas. Retourner à l'article

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