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Du
temps, de l'heure
et de la seconde
1
- Chez les Anciens
L'anthropocentrisme de l'homme l'a tout naturellement conduit
à apprécier le déroulement du temps à travers
ce qu'il observait ou ressentait :
- la succession des jours et des nuits avec le soleil, des mois avec le
cycle de la lune, des années avec le cycle des saisons et des variations
zénithales du Soleil ;
- les âges de la vie, de la naissance à la mort qui lui donnèrent
très tôt la notion "du temps qui passe".
Le découpage du jour en parties est très ancien, puisqu'on
pense qu'avec l'écriture et la numération sexagésimale,
il remonterait aux Sumériens soit vers le 3ème millénaire
avant Jésus Christ ([Histoire Universelle des Chiffres de G. Ifrah
tome 1 p.221), et déjà les Mésopotamiens partageaient
le jour en 12 intervalles de deux heures. C'est vraisemblablement de ces
origines que nous avons hérité de la numération duodécimale.
Encore très utilisée dans les différentes mesures,
jusqu'à l'avènement du Système Métrique, il
en reste encore des traces dans notre actuelle vie courante (douzaine
d'oeufs, etc.).
Chez les Romains, l'heure était la douzième partie de la
journée entre le lever et le coucher du Soleil. Elle variait donc
au gré des saisons. On en trouve encore trace au XVIIIème
siècle (D1-B6), et des cadrans et des mécanismes d'horloges
furent même construits pour y répondre.
L'ombre d'un bâton (gnomon) projetée sur le sol par le Soleil
et son observation permettaient de déterminer selon sa position
et sa longueur les moments de la journée et la saison. C'était
l'ancêtre des cadrans solaires. On en retrouvera de très
nombreux, d'origine gréco-romaine, du IVème siècle
avant J.-C. au IIIème siècle après J.-C., construits
de différentes matières. Et de nos jours, c'est même
un produit à la mode (D1-B7 à B15).
Les horloges à eau, de construction très ancienne, étaient
constituées de récipients se remplissant ou se vidant et
dans lesquels montait ou descendait un flotteur dont la position indiquait
le temps écoulé et qui pouvait actionner un mécanisme
entraînant des aiguilles indicatrices ou des automates.
Mais, dès le IIIème ou le IIème siècle avant
J.-C., ont été inventés des dispositifs permettant
de partager le temps en parties égales.
Les clepsydres sont des récipients qui se remplissent ou se vident
d'eau de façon récurente en un temps déterminé.
Il s'en construisit jusqu'au XIXème siècle (D1-B4).
Les sabliers qui se vident en un temps déterminé et que
l'on retourne en comptant le nombre d'opérations successivement
exécutées (D1-B5). On les utilisait encore au XVIIIème
siècle et aussi parfois de nos jours pour faire cuire un oeuf à
la coque (3 mn), ou pour limiter une période de jeux de société,
échecs ou autres.
Mais la notion de durée d'un événement semblait bien
moins importante que sa situation dans une chronologie, et même
si le nombre d'années solaires ou de lunes le situe dans le passé,
c'est plus sa position chronologique en référence à
un autre événement qui est rapporté, comme par exemple
de dire :
"la n ième année du règne du Roi ...".
C'est ainsi que Romé de l'Isle publie en 1789 la datation événements
anciens les plus célèbres à partir de documents en
sa possession, le plus ancien remontant à 4716 ans avant J.-C.
et la création du monde à 16 ans plus tard !
Mais, quoi qu'il en soit, c'est l'observation du Soleil et des astres
par les astronomes qui permit dès l'Antiquité d'expliquer
leurs mouvements absolus et relatifs et de permettre la prévision
de certaines éclipses ou conjonctions grâce à l'invention
de plusieurs instruments :
- l'astrolabe qui remonterait au VIème siècle et était
utilisé par les Arabes et les Espagnols. Il servait à déterminer
la hauteur du Soleil ou d'astres d'assez grande magnitude à un
instant donné et aussi à déterminer celui où
le Soleil passait au zénith du lieu d'observation (voir D1-B37
pour un appareil moderne encore utilisé à l'Observatoire
de Paris jusque dans les années 1950) ;
- des arcs de cercles et d'autres dispositifs mécaniques et optiques
de visée.
2
- Au Moyen-Age
C'est à cette époque que l'on commença à construire
des horloges mécaniques qui furent les premiers "garde-temps".
Le pendule avec son application au balancier était déjà
connu depuis Galilée qui en 1583 avait déterminé
ses lois de fonctionnement, ainsi que Huygens qui les développa
en 1657. On connaissait donc sa propriété d'isochronisme
(période d'oscillation constante), mais on ne savait comment entretenir
son mouvement. On connaissait aussi la même propriété
aux oscillations d'un ressort spiral sans savoir comment l'exploiter (en
1675 seulement).
Les engrenages étaient encore grossiers.
Le contrepoids sera utilisé comme moteur dès le XIIème
siècle : c'est à Gerbert d'Aurillac, devenu le Pape Sylvestre
II, qu'on devrait cet usage.
Les régulateurs sont à ailettes dans l'air ou dans un liquide.
Le mécanisme à échappement, déjà inventé
par les Chinois en 725 ne fut vraisemblablement redécouvert en
Europe qu'en 1726 par Graham, et jusqu'en 1798 avec ses diverses variantes
dont l'échappement à ancre qui fit faire un énorme
progrès à l'horlogerie. C'est grâce à lui que
l'on put mettre en oeuvre l'association d'un ressort comme réserve
de marche avec un ressort spiral comme base de temps.
Il exista des systèmes beaucoup plus sommaires comme les chandelles
horaires dont la combustion donnait une heure assez approximative en atteignant
successivement les traits gravés sur leur hauteur.
Voici ce qu'en dit l'un de leurs fabriquants :
- Elles permettent de tenir une potion au chaud,
- toutes les heures, une clochette rappelle au malade qu'il est temps
de prendre son remède,
- donnent toutes les nuits une lumière douce,
- indiquent les heures sur une colonne à part, éclairée
en même temps,
- disposent encore d'un réveil particulier que l'on peut régler
sur une certaine heure, etc...
Déjà le jour solaire était considéré
comme l'unité de temps car les appareils de visée permettaient
de le contrôler et les phénomènes observés
n'étaient pas assez courts pour envisager de prendre comme unité
la seconde. En outre, les horloges avaient des erreurs de marche de plusieurs
secondes par jour, erreurs qui peu à peu se réduisirent
grâce aux progrès technologiques, jusqu'à 0,1 seconde
au début du XXème siècle (D1-B40 et B41).
3
- Le pendule et la seconde aux XVIIème et XVIIIème siècles
A partir des découvertes de Galilée et de Huygens (voir
plus haut), on savait déterminer la longueur d'un pendule pour
qu'il batte la seconde, c'est-à-dire qu'une seconde sépare
chaque passage du pendule à sa position d'équilibre, soit
l'équivalent d'une demi période.
Or, en 1775, Turgot propose que la longueur d'un tel pendule soit adoptée
comme nouvelle unité de longueur à 45° de latitude et
au niveau de la mer, car, bien avant la Révolution il était
souhaité par beaucoup que soient rationalisées les différentes
unités, et ce, dans tout le royaume. Et il pouvait paraître
séduisant de réunir sous une même présentation
l'unité de longueur et l'unité de temps, malgré la
critique de certains (D1-A57).
Mais déjà en 1672 Jean Richer découvre que le pendule
battant la seconde est plus court de 3 mm à Cayenne qu'à
Paris (D1-A19 p.16). La Terre ne serait-elle pas ronde ? Ce point est
rapidement confirmé (D1-A36), et comme plusieurs pays de latitude
différente revendiquent cette longueur correspondante comme unité,
l'idée est finalement abandonnée au profit de la dix millionième
partie du quart du méridien terrestre : décret de l'Assemblée
Nationale du 26 mars 1791 (D1-A58 et A60).Noter la formule du pendule
simple qui donne sa longueur "l" pour de faibles oscillations
et pour la demi période d'une seconde : l = g / (3,14)_, donnant
pour g = 9,81, l = 0,994m.
Ce fut d'ailleurs une méthode de mesure pour déterminer
l'aplatissement de la Terre selon la latitude.Pour la petite histoire,
le 27 octobre 1790, l'Académie des Sciences souhaite une décimalisation
générale de toutes les unités. Cette proposition
figure dans un décret du 4 Frimaire An II (24 novembre 1793). Un
décret du 21 Pluviose An II (9 février 1794) avait même
proposé un concours pour que l'heure soit elle aussi décimalisée.
Cette proposition fut rejetée par l'article 12 du décret
du 18 Germinal An III (7 avril 1795).
Ainsi, le jour de nos 24 heures actuelles aurait été divisé
en 10 heures de 100 minutes de 100 secondes, soit un total de 100 000
secondes pour nos 86 400 secondes actuelles.Mais le système sexagésimal
était trop ancré dans les moeurs. Il fut cependant créé
des horloges mixtes répondant aussi à cette définition
(D1-B27)... Et cependant, de nos jours, en usine, la détermination
des temps élémentaires des opération de travail s'effectue
en centièmes d'heure!!!
4
- Le Temps Universel
Grâce aux observations astronomiques et aux horloges dont la précision
n'était cependant pas suffisante et qui nécessitaient leur
recalage par les astronomes, on définit "le Temps Universel",
"TU" qui fut l'unique échelle de temps de précision
jusque vers la fin du XIXème siècle.
4.1 - Le jour solaire moyen et le Temps Universel
C'était le temps écoulé entre deux passages
successifs du Soleil au méridien origine des longitudes, c'est-à-dire
au méridien de Paris, puis de Greenwich, soit 24 heures égales
de 60 minutes de 60 secondes, ou
86 400 secondes. Sa durée était considérée
comme invariable.
Or, les astronomes, comparant l'échelle du Temps Universel TU à
celle de la mécanique céleste définie par le mouvement
de la Lune autour de la Terre et des Planètes autour du Soleil,
mirent en évidence un écart accumulé pendant une
durée de plusieurs siècles (D1-p.38 et 39). On s'aperçut
que la durée du jour croît de 0,00164 seconde par siècle
et qu'elle présente des fluctuations du même ordre à
l'échelle de la décennie (Spencer Jones, 1939).
4.2 - Les horloges à quartz et le Temps Universel Corrigé
En outre, dans les années 1930, le développement des oscillateurs
à quartz permit, grâce à leur extrême précision,
de déceler des variations du TU à l'échelle de l'année.
On a pu ainsi mesurer des avances de
30 ms en octobre d'une année et des retards de la même valeur
au mois de mars de l'année suivante par rapport au Temps Universel.
Ces écarts proviennent des petits mouvements périodiques
des pôles terrestres par rapport au sol, d'amplitude d'une dizaine
de mètres environ.
On appelle ce temps "le Temps Universel Corrigé", "TU1".
Un diagramme qu'il n'a pas été possible de reproduire ici,
montre par exemple que de 1961 à 1972 la durée moyenne du
jour a augmenté de 1 à 3 ms (variation moyenne annuelle),
et qu'elle a régressé de la même quantité de
1975 à 1985. Des variations à court terme présentent
des écarts pouvant atteindre +/- 1 ms par jour.C'est pourquoi,
en 1956, l'unité de temps adoptée fut "la Seconde",
ramenée non plus à la durée du jour solaire moyen,
mais à l'année tropique, soit :
1 seconde = 1 / 31 556 925,9747 de l'année tropique pour l'année
1 900.La stabilité de telles horloges à quartz thermostaté
atteignait 5.10-12 en 1974. Elle est actuellement de 5.10-13 (D1-B43 et
B44).
4.3 - Le Temps Atomique International
Dès la définition de la Seconde en 1956, on savait déjà
qu'un phénomène physique supplanterait rapidement la définition
astronomique de cette unité.
Les progrès dans la connaissance de la matière et des atomes
montraient le chemin. En particulier la propriété des atomes
d'émettre des rayonnements à des longueurs d'onde fixes,
permettant de réaliser d'excellents étalons, non seulement
de longueur (interférences lumineuses pour la définition
du Mètre), mais aussi de fréquence, et donc de temps.
C'est ainsi que la "dernière définition de la Seconde"
a été proclamée sur proposition de la Conférence
Générale des Poids et Mesures de 1967 comme :"1 Seconde
= 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à
une transition de l'atome de
Césium 133"
Elle sert pour la mesure du "Temps Atomique International",
"TAI".
Les étalons de temps à Césium construits aujourd'hui,
permettent de garantir des stabilités de 7.10-12 à 3.10-13
pour des étalons de laboratoire, soit une seconde sur plus de 100
000 ans (D1-B43 et B47) ! Certaines de ces horloges ont des incertitudes
relatives inférieures à 1.10-13 (Voir D2-p.7 pour le principe
de l'horloge à Césium).
4.4
- Le Temps Universel Coordonné
A côté du TAI, existe une autre échelle de temps qui
en est dérivée, plus pratique pour la navigation astronomique,
qui est davantage en harmonie avec la rotation de la Terre, et qui tient
compte de ses légères irrégularités de rotation
(D3-p.24). C'est "le Temps Universel Coordonné", "UTC",
identique au TAI, mais auquel on rajoute de temps en temps - actuellement
tous les deux ans - une seconde intercalaire pour une remise à
l'heure par rapport à la rotation de la Terre.
C'est l'UTC qui est en France la base du temps légal.
4.5 - L'Observatoire de Paris et l'élaboration du Temps
L'Observatoire de Paris fut construit par Claude Perrault sur décision
de Colbert entre 1667 et 1672.
Les carrières du sous-sol furent utilisées pour aménager
des caves profondes de 28 mètres où la température
se maintenait à 11,86 degrés, mais qui du fait de la vie
moderne s'élève peu à peu. Cassini (1625-1712) venu
d'Italie, en fut le premier directeur.
Son emplacement déterminait "le méridien de Paris"
définit en 1667 et qui passe en son milieu. Il définit de
même la latitude de la capitale.
"Le méridien de Greenwich" le remplaça en 1911.
L'observatoire de Paris fut le lieu d'importantes découvertes :
- détermination de la vitesse de la lumière ;
- découverte mathématique par Le Verrier de la planète
Neptune en 1846 ;
- établissement de la première carte de la Lune ;
- classement des étoiles par grandeur (magnitudes).
Il est le siège du Bureau International de l'Heure depuis 1911,
qui diffuse l'Heure mondiale enfin unifiée.
Le Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences (LPTF) y élabore
chaque jour "le Temps Atomique Français" destiné
aux usages les plus précis, à l'aide d'une comparaison quotidienne
de ses propres étalons avec ceux d'une dizaine de laboratoires
répartis sur la Planète en utilisant un signal de télévision
(D2-p.7).
Le Bureau International de l'Heure (BIH) utilisait les résultats
de ces comparaisons de temps pour établir l'échelle du TAI
qui permet la synchronisation des échelles de temps des différents
pays (D2-p.8). Depuis 1985 la section BIH a été transférée
au BIPM (D3-p.24).
En outre, sont effectuées des comparaisons régulières
des horloges atomiques de référence en fonctionnement dans
les laboratoires métrologiques du monde entier par réception
de signaux radioélectriques. Les satellites sont également
utilisés pour les liaisons de grande précision, par exemple
à quelques 10-12 près entre la France et le Canada.
La diffusion nationale de l'échelle des temps est réalisée
par divers moyens avec des précisions variables :
- 0,1 microseconde par voie de télévision,
- 1 ms par diffusion de signaux horaires (France-Inter G.O.),
- 20 ms par accès téléphonique à l'Horloge
Parlante.
4.6 - L'Horloge Parlante
Présentée à l'Académie des Sciences le 14
mars 1932, elle fut mise en service le 14 février 1933 (QD-p.271).
La voix, qui était enregistrée sur des cylindres, était
celle d'un animateur de radio. En 1965, pour des questions d'usure, elle
fut remplacée par celle d'un postier comédien !
En 1948, les cylindres sont remplacés par des mémoires à
circuits intégrés contenant les phrases enregistrées
sous forme numérique.
Par sécurité, trois horloges fonctionnent simultanément
à partir de trois sources atomiques indépendantes et donnent
les tops de l'heure.
5
- Du Temps, et de la vitesse de la Lumière
Depuis les temps anciens, on croyait la propagation de la lumière
instantanée, c'est-à-dire possédant une vitesse infinie,
jusqu'à Descartes lui-même en 1638 (D1-C26).
En 1678, Huygens reprend les théories précédentes
de Galilée et de Descartes et en déduit une vitesse minimale.
A la suite de la découverte des quatre premiers satellites de Jupiter
par Galilée en 1610, leur étude permet à Roemer de
déduire en 1676 que cette vitesse est finie et supérieure
à 200 000 km/s (D1-C21, C22, C27).
Vers 1726, Bradley déduit de la vitesse de la Terre autour du Soleil
et de la lumière provenant d'une étoile, que cette vitesse
a pour valeur 295 000 +/- 5 000 km/s.
Ce n'est que vers 1850 que Fizeau d'une part (D1-C29 et D1-3ème
de couverture) et Foucault d'autre part (D1-C30 et D1-3ème de couverture),
mettent au point chacun une expérience, Foucault évaluant
cette vitesse à 298 000 +/- 100 km/s.
En 1887, Michelson et Morlay prouvent que cette vitesse est invariante,
quelle que soit la vitesse de objet émettant cette lumière
(D1-C34).
En 1978, cette expérience est reprise par Brillet et Hall qui confirment
cette constance à 10-14 près (D1-p.56).
Cette découverte inspirera Einstein dans sa théorie de la
Relativité.Tableau des différentes déterminations
de la vitesse de la Lumière :
- 1728 : 295 000 +/- 5 000 km/s, par J. Bradley ;
- 1849 : 314 000 +/- 500 km/h, par H. Fizeau ;
- 1862 : 298 000 +/- 100 km/h, par L. Foucault ;
- 1882 : 299 853 +/- 60 km/h, par A. Michelson ;
- 1926 : 299 798 +/- 4 km/h, par A. Michelson ;
- 1932 : 299 776 +/- 6 km/h, par A. Michelson, F. G. Pease et F. Pearson
;
- 1951 : 299 793,1 +/- 0,3 km/h, par E. Bergstrand ;
- 1952 : 299 792,6 +/- 0,7 km/h, par K. D. Froome ;
- 1958 : 299 792,5 +/- 0,1 km/s, par K. D. Froome ;
- 1972 : 299 792,458 +/- 1,6 m/s, par R. L. Barger et J. L. Hall.
6 - Brève conclusion
Historiquement, on a pu voir que les découvertes des astronomes
ont été le tremplin des plus récents progrès
dans la connaissance de l'Univers grâce aux découvertes dans
l'infiniment petit (physique atomique) et dans l'infiniment grand (mondes
galactiques), aidées par les progrès technologiques, pour
nous donner en particulier les définitions de la "Seconde"
et du "Mètre" avec d'aussi faibles incertitudes.Mais
qu'est-ce donc qu'une seconde avec cette incertitude de 10-13, sachant
que :
- un simple petit milliard de secondes c'est presque 32 années
d'une vie humaine ;
- le premier fossile - enfin, le plus ancien découvert, une bactérie
- aurait 3,5 milliards d'années ;
- l'apparition de la vie sur notre Terre (acides aminés) remonterait
à 4 milliards d'années ;
- notre système solaire, avec notre petite Terre, aurait 4,5 milliards
d'années ;
- l'age de l'Univers serait, depuis le Big-Bang de 15 milliards d'années
;
- et que nos scientifiques, savants et autres chercheurs inventent des
théories de plus en plus pointues pour prédire ce qui a
pu se passer dans les quelques fractions de seconde qui ont suivi l'instant
"zéro"...
- et avant ???Et qu'est-ce que la taille d'un homme ou d'une femme, alors
que les galaxies les plus lointaines de l'Univers ont émis des
photons qui ont mis 10 milliards d'années-lumière à
nous parvenir à la vitesse de près de
300 000 km/s et à raison de 31 500 000 secondes par an !Restons
modestes devant cette relativité et admiratifs de ces infinis,
des choses, des êtres, de Dieu.
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