Histoire de la mesure du temps

Histoire de la mesure du temps

En sciences, le temps est un paramètre hyper-important. Par exemple, on va mesurer la vitesse d’un mobile en mètre par seconde.

Le mètre, ok, on l’a défini en 1791 comme étant 1/10 000 000 d’un demi-méridien terrestre.

Mais la seconde ? C’est le temps de dire « un crocodile » mais pour que les secondes soient toutes les mêmes, dans tous les labos, partout sur Terre et même dans le labo de la station internationale, il faut une référence commune. Et qui soit absolument fixe.

 

Précédemment, la seconde était définie comme la 60e partie de la minute, elle-même étant la 60e partie de l’heure, 24e partie d’une journée. Une journée, c’est le temps que même la Terre pour faire un tour complet sur elle-même, soit 24h. Enfin, à peu près, ça dépend du point de référence … Et puis ce n’est pas constant : les marées, notamment, peuvent ralentir la rotation de la terre …

Depuis 1967, cette référence, fixe et commune, c’est l’onde émise par les électrons d’un atome de Césium 133 au repos et à la température de 0 K. (On a choisi le Césium parce qu’il est particulièrement stable.) La minute et l’heure sont dorénavant définies comme des multiples de la seconde, unité de base de la mesure du temps.

Mais avant ça, comment mesurait-on le temps ?

 

Le temps observable

Depuis toujours, se repérer dans le temps est une préoccupation importante pour l’humanité : savoir qu’on arrive au printemps et que les troupeaux de rennes vont commencer leur migration annuelle, que c’est bientôt l’hiver et qu’il faut se préoccuper d’installer un campement à l’abri, etc. on imagine bien que cela puisse faire partie des préoccupations de Cro-Magnon et de ses contemporains. L’os de l’Abri Blanchard, daté de – 30 000, pourrait d’ailleurs être un relevé des positions de la Lune.

Vue de Stonhenge
Stonhenge, dans le sud de l’Angleterre, est un monument mégalithique dont la construction s’étale entre 2800 et 1100 av. J.-C.

Très tôt, les hommes ont repéré des moments particuliers de l’année : les équinoxes et les solstices. Ces moments permettent de définir une année de façon relativement précise. De grands ensembles comme le cercle de Goseck en Allemagne (v. 4800 av. J.-C.) ou Stonehenge dans le Sud de l’Angleterre (v. 2800 av. J.-C.) montrent des ouvertures vers ces points particuliers de l’année.

On a donc comme mesures du temps, facilement observables : l’année (le temps d’une révolution complète de la terre autour du soleil, que l’on peut observer de différentes manières : hauteur du soleil au zénith, position des étoiles, etc.), le jour (le temps qui sépare deux levers ou deux couchers de soleil) et le mois lunaire (le temps qui sépare deux phases identiques de la lune).

 

Le temps mesuré

Vers le 12e s. avant notre ère, les Babyloniens mettront au point un système de mesure du temps relativement complexe basé sur leurs observations astronomiques et leur système mathématique en base 60. L’observation du déplacement de la voûte céleste d’un jour à l’autre leur permet de diviser le jour en 12 danna correspondant à 2 heures dans notre système de mesure. Chaque danna est divisé en 30 ush (± 4 minutes).

Un peu partout durant l’Antiquité, on utilise le gnomon pour se situer dans la journée : il s’agit d’un simple piquet planté verticalement sur une surface plane et dont l’ombre indique l’heure solaire. Mais la course du Soleil varie en fonction de la saison : la mesure du temps est donc très approximative.

Les cadrans solaires sont une évolution du gnomon : 12 graduations indiquent le comptage des heures et l’inclinaison du stylet en fonction de la latitude permet que tous les jours de l’année commencent sur la 1e graduation et terminent sur la 12e. Les heures sont donc plus courtes en hiver qu’en été… En plus, puisque l’affichage dépend de la position du Soleil, un cadran solaire n’indique jamais que l’heure locale. Et puis, il faut du soleil. Comment donc mesurer le temps la nuit ou par temps couvert ?

Reconstitution d'une clepsydre
Reconstitution de la clepsydre (horloge hydraulique). Musée de l’Agora antique d’Athènes.

La clepsydre est une horloge à eau : un récipient est percé à la base par où l’eau s’écoule, le niveau de l’eau dans le récipient permet de lire l’heure (il y a des graduations).

Les sabliers fonctionnent sur le même principe si ce n’est qu’ils ne sont pas gradués : ils permettent donc de mesurer une durée mais pas de dire l’heure qu’il est.

Les premières horloges apparaissent au 14e s. Leur mécanisme est actionné par la descente d’un poids freiné par un balancier appelé « foliot ». Voici une animation qui en explique le principe. Ces horloges restent terriblement imprécises : leur décalage peut atteindre une demi-heure par jour. Au 17e s., grâce notamment aux travaux de Galilée, elles sont perfectionnées : le foliot est remplacé par un pendule, dont le mouvement est plus régulier.

Après la révolution française, le remplacement du poids par un ressort-spirale permet de miniaturiser les horloges pour en faire des montres, montres à gousset d’abord puis montres-bracelets. Le décalage d’une montre à ressort peut aller jusqu’à 10 secondes par jour. (NB : en horlogerie, on appelle ce décalage la « dérivation »)

Dans les années 1960, les montres à quartz utilisent un oscillateur électrique à quartz : alimenté par une pile, il vibre très exactement à 32786 Hz. Un diviseur de fréquence permet de transformer cette vibration pour obtenir une impulsion par seconde. La dérivation des horloges à quartz est réduite à 0,3 s/m.

Les horloges atomiques, quant à elles, utilisent comme base la fréquence de l’onde émise par un électron de Césium qui change de niveau d’énergie. Leur dérivation est de moins d’1 seconde en 3000 ans.

Une horloge atomique française des années 80.
Horloge atomique commerciale à césium ayant servi à réaliser le temps légal français dans les années 80 et comme référence pour l’horloge parlante, exposée à l’observatoire de Paris.

Pourquoi mesurer le temps ?

Pour les populations de chasseurs-cueilleurs du paléolithique, on imagine bien l’intérêt de se situer dans le temps : comprendre que quand le soleil commence à descendre, la moitié de la journée est passée et qu’il faut revenir vers le campement ; savoir que quand les jours rallongent, ça annonce le printemps et qu’il va falloir se mettre en route si on ne veut pas louper la grande migration des rennes ou cueillir des fruits…

Un chasseur paléolithique avec sagaie et propulseur
Reconstitution d’un chasseur du paléolithique (Cro-Magnon) avec sagaie et propulseur (Musée de Vienne)

À partir du néolithique, dès lors qu’on cultive la terre, il est évidemment essentiel de savoir quand mettre les graines en terre pour avoir de bonnes récoltes.

Pendant l’Antiquité, le Moyen-Âge, les Temps modernes, la mesure du temps est nécessaire à l’organisation de la vie sociale et religieuse : dans la Grèce antique, la clepsydre sert à limiter le temps de parole des tribuns, des plaidoyers, etc. Chez nous, au Moyen-Âge, les heures canoniales divisent la journée en temps de prière.

Mais se situer dans le temps peut aussi permettre de se situer dans l’espace : en haute-mer, en mesurant la hauteur du soleil quand il est midi sur un méridien de référence, le navigateur peut calculer son décalage par rapport à ce méridien et ainsi connaître sa longitude. Il aura fallu attendre la 2e moitié du 18e s. pour que les progrès de l’horlogerie permettent d’emmener un chronomètre que la houle et les embruns ne dérèglent pas. C’est l’histoire du Longitud Act.

Aujourd’hui, les horloges atomiques sont indispensables au fonctionnement des GPS, par exemple. Le progrès est tel qu’on peut dorénavant procrastiner en nanoseconde 🙂

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Un article préparé par Nicolas Lambiotte et rédigé par Jean-Marc Lacroix