Histoire de la mesure du temps

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L'horloge de Big Ben L’Histoire de la mesure du temps par l'Homme remonte à ses origines. La mesure du temps a toujours été une de ses préoccupations majeures, notamment pour organiser la vie sociale, religieuse et économique des sociétés. Les phénomènes périodiques du milieu où il vivait - comme le retour du soleil avec les saisons ou le cycle lunaire - ont servi de premières références. Mais avec le temps, il s'est inspiré de phénomènes physiques, dont il a
Histoire de la mesure du temps

L'horloge de Big Ben L’Histoire de la mesure du temps par l'Homme remonte à ses origines. La mesure du temps a toujours été une de ses préoccupations majeures, notamment pour organiser la vie sociale, religieuse et économique des sociétés. Les phénomènes périodiques du milieu où il vivait - comme le retour du soleil avec les saisons ou le cycle lunaire - ont servi de premières références. Mais avec le temps, il s'est inspiré de phénomènes physiques, dont il avait remarqué le caractère périodique, pour concevoir et mettre au point des dispostifs de mesure du temps de plus en plus précis. Les horloges mécaniques en sont un exemple, qui permirent aux Hommes de connaître l'heure à tout moment et en tout lieu.

L'observation de la Terre

Pour se repérer dans le temps, les Hommes se sont donc tout d'abord basés sur les phénomènes périodiques terrestres. Les premiers hommes comptaient les hivers ou les étés pour restituer les évènements passés. Le calendrier a tout naturellement découlé de ces observations

Le calendrier

Un calendrier romain La mise en place d'un calendrier est difficile. En effet, la majorité de ceux-ci sont définis par rapport au Soleil ou à la Lune. Or, une année solaire compte environ 365, 24219 jours et un mois lunaire environ 29, 53 la lunaison est la période des phases de la Lune ou période synodique de la Lune. Elle dure 29, 53 jours et c'est elle que l'on a utilisée pour tous les calendriers lunaires ou luni-solaires. Il ne faut pas la confondre avec la période sidérale de 27, 3 jours jours. On comprend donc la difficulté pour diviser une année en parts égales. Plusieurs calendriers se sont succédé ou ont coexisté à travers l'Histoire. On peut citer notamment les calendriers julien, grégorien, orthodoxe, hébreu, musulman, copte, hindou, égyptien, hahai's, zoroastrien, inca, chinois ou encore républicain. Chaque grande civilisation a eu son propre calendrier ; c'était un moyen de marquer son époque. Les premières traces de véritables calendriers « nationaux » remontent à l'Égypte et aux Mayas et Aztèques, chez qui les prêtres étaient aussi astronomes et possédaient un calendrier bien plus précis qu'en Europe. En -45, Jules César demande à l'astronome grec Sosigène d'Alexandrie de réformer le calendrier romain peu précis. Il crée ainsi le calendrier « julien » qui innove, créant les années bissextiles. La durée moyenne d'une année est donc de 365, 25 jours, ce qui se rapproche de la véritable année astronomique, avec un décalage de seulement trois jours tous les 400 ans. En 1582, le calendrier julien accusait déjà un retard de 11 jours sur le temps astronomique. Pas assez pour que les gens en soient affectés mais suffisant pour que les religieux aient la sensation de ne plus fêter Pâques à la bonne date. Le Pape Grégoire XIII s'adresse à l'astronome Luigi Giglio qui propose que les années centenaires ne soient bissextiles que si elles sont divisibles par 400; de plus il refixe la date de l'équinoxe de printemps au 21 mars. Il donne ainsi naissance au calendrier grégorien que nous utilisons actuellement. La durée moyenne d'une année du calendrier grégorien est de 365, 2425 jours, ce qui se rapproche encore plus précisemment de la véritable durée de l'année astronomique 365, 2422... jours. Sa mise en place entraîna aussi la suppression de 11 jours pour corriger le décalage existant entre les dates des saisons et leur occurrence réelle. Le calendrier est très important d'un point de vue religieux. En effet, peut-on célébrer les fêtes tous les ans à la même date ? Les fêtes catholiques et les fêtes orthodoxes sont décalées de 13 jours actuellement, l'Église orthodoxe n'ayant pas adopté le calendrier grégorien.

Du gnomon au cadran solaire

Un cadran solaire Les premiers à s'être préoccupés de la division du jour en unités de temps sont les Égyptiens, mais d'abord dans un but religieux. La première période divisée en "heures" fut la nuit, il y a environ quarante-et-un siècles. Pour repérer l'écoulement du temps, le ciel avait été divisé en 36 décans associés à des divinités, chaque décan consistait en une ou plusieurs étoiles. Les observateurs nocturnes surveillaient le défilé des décans ; et suivant l'époque de l'année le nombre de décans visibles du crépuscule à l'aube était variable. Au solstice d'été, quand les nuits sont les plus courtes et lorsque le lever héliaque de Sirius approche, seuls 12 décans étaient observables avec certitude, les autres se perdaient dans les lueurs du levant ou du couchant. Vers 2100 avant notre ère il fut décidé de ne conserver que l'observation de 12 décans au cours de la nuit : celle-ci fut ainsi divisée en 12 parties qui furent maintenues toute l'année. Ainsi la première période, autre que l'année, précisément jalonnée fut la nuit et non le jour. Mais cela ne concernait que le pharaon, et sa relation avec les dieux. On a retrouvé dans des sarcophages des tableaux donnant les décans divisant la nuit en 12 parties. Six siècles plus tard les textes indiquent une division du jour également en 12 heures, sans doute par symétrie avec la nuit. À cette division est associé le premier véritable cadran solaire connu : c'est une pièce en forme de L. Elle s'oriente dans la direction est-ouest, l'ombre projetée par le montant vertical sur l'autre partie indique les heures de part et d'autre de midi. Les graduations sont fixes et ne tiennent pas compte de l'influence de la saison : une journée est divisée en 12 heures quelle que soit sa durée. Les heures indiquées n'ont donc pas la même longueur tout au long de l'année, plus longues l'été que l'hiver. En Égypte l'écart est assez faible (40 %) pour ne pas être trop sensible (contrairement à l’Europe occidentale où, entre l'hiver et l'été, la durée du jour varie du simple au double). Cette division en deux fois 12 heures est conservée et adoptée par les Chaldéens vers le puis se répand en Grèce et se perpétue par la suite, jusqu'à nos jours. Nos 24 heures sont égyptiennes. Le système de numération babylonien était sexagésimal, la division de l'heure et des minutes a repris ce système. Ainsi, l'heure est divisée en 60 minutes et la minute en 60 secondes. Soixante est un nombre qui a la particularité d'avoir un grand nombre de diviseurs entiers (1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30 et 60), ce qui facilite les calculs astronomiques.

Périodicité des phénomènes physiques

Mais l'Homme ne s'est pas contenté d'observer et d'utiliser la nature. Il a aussi su utiliser son sens de l'observation et son intelligence pour concevoir des instruments de mesure du temps qui ne se basent pas forcément sur des phénomènes naturels qui ne sont pas sous son contrôle. Les usages de la vie quotidienne (temps de parole dans un conseil, un procès, sonneries des cloches pour les heures des offices, réunions de conseils de villes, le couvre-feu, etc.) lui en fournirent la motivation.

La clepsydre et le sablier

Reconstitution d'une ancienne clepsydre grecque Les Égyptiens utilisaient la clepsydre, grand vase percé à sa base, gradué à l'intérieur et qui laisse échapper un mince filet d'eau. Les Grecs l'ont perfectionnée pour la rendre plus précise. Ils lui ont ajouté un cadran et une aiguille, la transformant en un véritable instrument de mesure. Le sablier, lui, est basé sur le même principe, excepté que l'eau est remplacée par du sable. Il sert plus à mesurer des intervalles de temps qu'à indiquer l'heure. Une anecdote couramment citée est celle de Christophe Colomb qui, en 1492, lors de son voyage vers l'Amérique, utilisait pour faire le point un sablier qu'il retournait depuis son départ toutes les demi-heures. Son origine est inconnue. Ces outils devenant peu précis sur de longues périodes et les écarts de temps s'accumulant, il devenait urgent que les scientifiques trouvent une solution.

L'horloge mécanique

Les premières horloges mécaniques apparaissent au . Au début elles sonnent les cloches, n'ont pas de cadran et, lorsqu'elles en seront dotées au , il n'y aura qu'une aiguille, celle des heures. Ces premières horloges consistent schématiquement en un poids moteur qui entraîne un train d'engrenages, lequel fait accessoirement tourner la ou les aiguilles. Le tout ne constitue une horloge que si l'on sait réguler la chute du poids. C'est l'apparition de 'échappement' qui va transformer ce simple assemblage d'engrenages en véritable horloge. L'échappement permet alternativement de libérer puis de bloquer la chute du poids, grâce à un mécanisme oscillant. Dans ces premières horloges ce mécanisme est un foliot, simple tige aux extrémités de laquelle sont accrochés deux masses, qui peut osciller horizontalement autour d'un axe vertical la supportant en son milieu. Les masses lui confèrent l'inertie nécessaire pour stopper la chute du poids. Solidaires de l'axe d'oscillation, deux palettes viennent alternativement bloquer la roue de rencontre (qui donne son nom à ce premier type d'échappement) qu'entraîne le poids moteur. On trouvera par exemple des illustrations de ce principe. Ce mécanisme très ingénieux est aussi très délicat à régler précisément ; frottements et chocs sont importants, difficiles à maîtriser. Et surtout, chacun des éléments participe indiscernablement aux deux fonctions motrice et régulatrice.

Le pendule et le ressort spiral

Parmi de nombreux autres phénomènes, Galilée étudia le pendule oscillant et nota que la période (la durée d'un aller et retour complet) du pendule semblait être remarquablement constante pour un pendule donné. Il dessina en 1641 un projet d'horloge réglée par un pendule oscillant sans la construire. C'est finalement Christiaan Huygens et Salomon Coster qui construisirent la première horloge à pendule en 1657. Le progrès technique est important ; le progrès conceptuel l'est encore plus. Les fonctions régulatrice et motrice sont clairement identifiées et séparées, ce qui va rendre possible des réglages précis. Les premières horloges retardent la chute d'un poids grâce à un mécanisme oscillant irrégulier au travers d'un échappement. Les horloges à pendule entretiennent le mouvement oscillant régulier du pendule en prélevant au travers de l'échappement juste l'énergie nécessaire à un poids qui descend. En 1675, Huygens invente également le ressort spiral, qui va jouer le rôle du pendule dans les montres.

Vers un outil de mesure déplaçable...

On l'a vu avec l'exemple de Christophe Colomb, la mesure du temps dans la marine est indispensable. En particulier pour pouvoir déterminer la longitude, opération qui implique de conserver à bord l'heure du port de départ. A tel point que les gouvernements britannique et espagnol offrirent de fortes récompenses au savant qui réussira à construire un chronomètre transportable ayant une précision et, surtout, une stabilité suffisantes pour faire un point complet en mer . Car il est impossible de faire fonctionner un pendule sur un bateau à cause du roulis. Un tel instrument de mesure est inventé par l'horloger britannique John Harrison en 1737. Il crée un énorme chronomètre d'une précision étonnante. Il remporte le prix en 1764 seulement avec son cinquième prototype qui, en deux mois de voyage, ne s'est décalé que de quelques secondes, performance jusque-là jamais atteinte. En récompense, il reçoit, après quelques tergiversations, du roi de Grande-Bretagne une jolie rente pour ses vieux jours...

L'horloge pour tous

Au cours du , il est de bon ton, quand on en a les moyens, de posséder une pendule. Le raffinement de son décor et sa précision indiquent la richesse de son propriétaire. Cette précision n'est d'aucune utilité dans la vie courante mais le goût du "dernier cri" technologique n'est pas une manie apparue au . Au cours du , l'industrialisation de l'horlogerie permettra petit à petit à tous de posséder une horloge ou une pendule, en même temps que la diffusion de l'heure va se répandre avec le télégraphe et que l'uniformisation du temps deviendra nécessaire en particulier avec le développement du chemin de fer qui oblige à synchroniser les horloges d'un pays entier.. Puis le temps va aussi s'introduire dans les usines avec la mesure du temps de travail et de la productivité.

Les moyens modernes

Désormais, les horloges mécaniques ne sont plus à l'ordre du jour. Des moyens plus précis et plus compacts ont été développés. En la matière, l'horloge à quartz a constitué un véritable progrès. Le quartz est une forme de dioxyde de silicium (SiO) qui abonde dans la nature. Comme tous les matériaux rigides, il résonne à une fréquence qui lui est propre (par exemple 32 768 Hz pour les quartz des montres courantes). De plus, sa dureté lui permet d'avoir des fréquences de vibrations élevées, ce qui est très favorable pour la précision. Or lorsqu'un cristal de quartz vibre, de faibles charges électriques apparaissent et disparaissent à sa surface. C'est l'effet piézo-électrique. Ces charges sont détectées et servent à asservir et stabiliser le fonctionnement d'un oscillateur électronique. La précision obtenue est dix fois plus importante que le meilleur des mécanismes d'horlogerie mécaniques. Le premier oscillateur à quartz à fonctionner sur ce principe apparaît en 1933 mais sa taille est plus proche d'un réfrigérateur que d'une montre bracelet. Produit d'une grande miniaturisation, cette dernière n'apparaît que dans les années 1970. Une horloge atomique au césium Mais pour répondre au besoin de précision croissant de la science et des technologies de pointe, le quartz seul se révèle encore trop imprécis. L'étape suivante sera l'horloge atomique. Dans celle-ci, la stabilité d'un oscillateur électronique ne repose plus sur les oscillations d'un cristal seul mais sur celles de l'onde électromagnétique (de même nature que la lumière) émise par un électron lors de sa transition d'un niveau d'énergie à un autre à l'intérieur de l'atome. La première horloge atomique apparut en 1947; elle utilisait les transitions atomiques de la molécule d'ammoniac. Puis on eu recours au rubidium puis, surtout, au césium. C'est ce dernier corps qui assure actuellement le fonctionnement le plus exact et le plus stable pour une horloge atomique. La première horloge au césium apparut en 1955. Depuis, elle n'a cessé de s'améliorer. Les performances actuelles des horloges correspondent à un décalage d'une seconde tous les 3 millions d'années. Les fontaines de césium à atomes froids sont dix fois plus performantes. Des transitions atomiques d'autres corps simples comme l'ytterbium, à des fréquences optiques beaucoup plus élevées que la fréquence utilisée dans les horloges à césium, sont à l'étude dans le monde entier et permettront de gagner encore un facteur de dix à cent. La prochaine étape sera la miniaturisation des oscillateurs atomiques qui deviendront alors des composants pouvant s'insérer dans une montre ou un récepteur GPS ou Galileo. L'organisme américain du National Institute of Standards and Technology (NIST) travaille actuellement (2007) dans ce sens .

Voir aussi

Bibliographie

Approche scientifique

Approche philosophique

- Ernst Jünger, Le Traité du sablier, Christian Bourgois, 1995.

Article connexes

-Mesure physique

Lien externe

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Référence

Catégorie:Mesure du temps Catégorie:Histoire des sciences
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