Horloges et calendriers
Se repérer dans le temps, mesurer le temps : deux préoccupations qui n’ont cessé de hanter l’esprit des hommes. Partout les fouilles archéologiques nous livrent des témoignages plus ou moins complets, plus ou moins impressionnants des efforts faits par les hommes pour mieux maîtriser leur connaissance du temps.
Pour se repérer dans le temps, les hommes se sont le plus souvent fiés à la Lune et aux étoiles. La Lune parce qu’il est facile de compter les lunaisons. Les étoiles parce que leur position dans le ciel nocturne donne une bonne indication de la période de l’année. Les Egyptiens par exemple avaient remarqué que le lever héliaque de Sirius (le jour où l’étoile Sirius se lève en même temps que le Soleil se couche) correspondait avec le début de la grande crue du Nil. Sirius est l’étoile la plus brillante de la constellation du Grand Chien. C’est la raison pour laquelle la période qui suit le lever héliaque a été baptisée par les Romains canicule… Chez les Aztèques, les Pléiades semblent avoir joué un rôle important.
Mais l’observation du ciel était réservée à une élite et on attendait de cette élite qu’elle renseigne les puissants sur l’humeur des dieux à leur égard. La vie du peuple était réglée par le rythme des travaux agricoles et il était beaucoup plus facile, pour les cultivateurs, de se repérer par rapport à la Lune. C’est la raison pour laquelle la plupart des calendriers de l’antiquité sont construits sur une base luni-solaire. Luni parce les mois sont calqués sur les lunaisons et solaire parce qu’il faut recaler régulièrement ce calendrier sur l’année solaire. Le calendrier en vigueur chez les grecs (très proche du calendrier hébraïque ou des calendriers en usage au moyen orient) est basé sur 12 lunaisons… plus un mois intercalaire que l’on doit rajouter à peu près tous les trois ans (en fait 7 fois en 19 ans). La décision des recalages était laissé au bon vouloir des édiles. Cela permettait, quand tout se passait bien, d’avancer les recalages quand c’était nécessaire (le système n’est pas parfait et il manque des jours). A contrario, en période troublée, ça pouvait dérailler.
Les Romains ont commencé très tôt à prendre des libertés avec le calendrier luni-solaire. On attribue à Numa Pompilius, l’un des premiers rois de la Rome antique, un calendrier basé sur une alternance de 12 et 13 mois : une année de 355 jours, une année de 377 jours, une année de 355 jours et une année de 378 jours. Sur 4 ans, on est très proche de la durée de l’année tropique… mais il reste un jour de trop ! Les noms des douze mois d’une année de 355 jours sont ceux que l’on connait aujourd’hui (sauf juillet et août rebaptisés plus tard en l’honneur de Jules César et d’Auguste). Ils ont 29 ou 31 jours. Seul février (februarius) ne compte que 28 jours. Question de superstition… Le mois supplémentaire s’appelait Mercedonius. Il faisait 27 jours, ce qui obligeait à raboter février.
En 45 avant JC, la gestion des mois intercalaires ayant été laissé à l’initiative des édiles, le calendrier pompilien a complètement dérivé. Jules César fait alors appel à un astronome de renom (
Le calendrier julien va perdurer jusqu’en 1582. En 1620 ans il a dérivé de 12 jours par rapport à l’année tropique. De ce fait, le calendrier liturgique avait tendance à se décaler par rapport aux saisons réelles. La fête de Pâques (le dimanche qui suit la première pleine Lune de printemps) dérivait vers l’été. Le pape Grégoire XIII fit alors appel à un autre astronome réputé pour mettre de l’ordre dans tout ça. Le calendrier grégorien est celui que nous utilisons aujourd’hui. Il introduit des corrections séculaires pour limiter le décalage par rapport à l’année tropique à une journée au maximum.
La mesure du temps : cadran solaire et clepsydre
L’utilisation du Soleil pour mesurer le temps remonte à la haute antiquité. On a retrouvé en Egypte des obélisques utilisés manifestement à cet effet et qui datent de 3500 ans avant notre ère. Le cadran solaire s’est ensuite très rapidement répandu dans tout le bassin méditerranéen. Le découpage de la journée en heures est également très ancien. Pourquoi 12 heures plutôt que 10 ? Peut-être parce que 12 est divisible par 2, 3, 4 et 6 alors que 10 n’est divisible que par 2 et 5…
Le problème du cadran solaire est qu’il donne des heures de longueur variable. Les peuples de l’antiquité en avaient conscience et se sont tournés très tôt vers d’autres méthodes. L’écoulement de l’eau est la méthode la plus répandue. Les plus anciennes clepsydres ont été découvertes à Karnak. Les Grecs en ont amélioré le profil mais ce sont surtout les Perses et les Chinois qui ont poussé le plus loin la technique. Les Chinois en particulier ont associé des clepsydres à des mécanismes avec des roues dentées extrêmement sophistiqués.
Ce n’est que beaucoup plus tard que l’on aura l’idée d’utiliser la régularité des mouvements périodiques pour mesurer le temps. On attribue à Galilée la paternité de l’horloge à balancier. Mais Galilée mourra avant de concrétiser son idée et c’est Christian Huyghens qui construisit la première. C’est également lui qui, sur une idée de Robert Hook, construisit la première horloge à balancier régulée par un ressort.
Au XVIIIème siècle, la mesure du temps est devenue un enjeu stratégique. Seule une mesure précise du temps permet de calculer la longitude des bateaux qui sillonnent les mers et sur lesquels repose la puissance des états. En 1714, le gouvernement anglais promet une récompense de 20000 livres à l’horloger qui construira un chronomètre de marine suffisamment précis. Ce n’est que 40 ans plus tard de John Harrison remportera le prix grâce à un chronomètre basé sur l’utilisation d’un ressort qui s’enroule et se déroule. La précision de son chronomètre est d’un tiers de seconde par jour.
Les chronomètres à ressorts seront utilisés pendant près de deux siècles. Il faudra attendre la moitié du XXème siècle pour qu’ils cèdent la place aux montres à quartz. Les montres à quartz utilisent une propriété des cristaux de quartz découverte par Pierre et Jacques Curie en 1880 : la piézoélectricité. Un quartz soumis à un champ électrique résonne à une fréquence qui ne dépend que de ses dimensions. En résonnant, il génère un courant électrique à la même fréquence. Le système est bouclé de façon à entretenir cette fréquence. Le décompte des impulsions permet de mesurer le temps de manière très précise. La première horloge à quartz a été construite par les laboratoires Bell en 1927 mais ce n’est qu’à la fin des années 1960 que les montres à quartz vont inonder le marché de l’horlogerie.
Les montres à quartz ont instauré un nouveau standard de précision en matière d’horlogerie… Mais leur suprématie dans le domaine de l’instrumentation ne sera que de courte durée. En 1949, le National Bureau of Standard met au point la première horloge atomique. Elle fonctionne à l’ammoniac et est relativement peu précise. Les défauts de cette horloge seront analysés et corrigés. En 1955, Louis Essen et Jack Parry font fonctionner la première horloge au césium. Elle est basée sur la transition hyperfine de l’état fondamental de l’atome de Césium dont la fréquence est de 9192631770 Hz. Le principe de cette horloge sera ensuite amélioré par Norman Ramsey qui reçut le prix Nobel pour ses recherches sur le sujet.
La technologie ne va cesser de s’améliorer. L’une des principales causes de l’imprécision (très relative) de ces horloges est l’agitation thermique des atomes de césium. Qu’à cela ne tienne, on va les refroidir en les piégeant entre des faisceaux laser qui les immobilisent. Les premières horloges au césium avaient une précision de 10-10. Les horloges utilisant une fontaine d’atomes froids ont aujourd’hui une précision de 10-15 : une seconde en 30 millions d’années.
Les horloges au césium fonctionnent dans le domaine des micro-ondes. Aujourd’hui, les chercheurs travaillent sur des horloges au strontium fonctionnant dans le domaine optique. Une précision de 10-18 devrait bientôt être atteinte ! Une demi-seconde en 15 milliards d’années…
C’est en 1889 que se réunit à Paris la première conférence visant à établir un système international d’unités de mesure (conférence générale des poids et mesures). La conférence décide de retenir le kilogramme-étalon et le mètre-étalon déposés au pavillon de Breteuil à Sèvres. Pour la seconde, on choisit une définition simple : c’est la 86400ème partie de la journée.
Simple et de bon goût direz-vous ? Pas si sûr… La durée d’une journée varie tout au long de l’année en raison de la trajectoire elliptique de la Terre autour du Soleil. L’écart atteint même 30 minutes entre novembre et février ! Notre journée de 24 heures n’est qu’une durée moyenne sur l’année. Pas facile à utiliser en pratique. Pourtant cette définition sera conservée jusqu’en 1956.
En 1956, changement de portage. On donne la main aux astronomes qui revendiquent une bien meilleure précision. Leurs arme secrète : les Ephémérides. La seconde est désormais définie comme la fraction 1/315569259747 de l’année tropique 1900. Pourquoi l’année 1900 et pas l’année courante ? Parce que la rotation de la Terre ralentit de 16 millisecondes tous les 1000 ans et qu’il faut donc se donner une référence.
On a évacué le problème de la journée de durée variable, mais ça reste très difficile à mesurer. C’est la raison pour laquelle on s’est empressé d’abandonner cette définition. Depuis 1967, la seconde est définie comme le temps qui s’écoule pendant 9192631770 oscillations de l’atome de césium 133 entre les deux niveaux de la transition hyperfine de l’état fondamental. Et comme il faut tenir compte du décalage gravitationnel des horloges, le niveau de référence est le géoïde terrestre.
Rappelons que le décalage gravitationnel des horloges s’exprime de la manière suivante :
U0 étant la valeur du potentiel gravitationnel en tout point du géoïde (valeur constante sinon la croûte terrestre se déformerait).
Des journées de longueur variable, un temps solaire propre à chaque longitude… tout cela n’avait guère d’importance dans un monde essentiellement rural. La situation a changé avec la révolution industrielle et, plus particulièrement avec la première mondialisation au début du XXème siècle. En 1911 le bureau international des poids et mesures décide de découper le monde en fuseaux horaires et d’adopter une référence de temps universelle : le Greenwich Mean Time (GMT) basé sur le temps défini par l’observatoire de Greenwich. Le temps GMT va perdurer jusqu’en 1978. A cette date, le BIPM adopte le temps UTC (Universal Coordinate Time). Le temps UTC est établi à partir du « temps atomique international » (TAI) qui est donné par un réseau de 400 horloges atomiques synchronisées réparties de par le monde. La stabilité en fréquence du TAI est de 3 10-16. Le temps UTC ajoute à ce TAI des secondes intercalaires pour tenir compte de la dérive de la durée moyenne d’une journée.
Le fuseau horaire utilisé pour déterminer l’heure officielle en France est le fuseau UTC + 1. Attention, cette heure n’est pas l’heure solaire en un pont : il convent en effet d’ajouter 4 minutes par degré d’écart par rapport au méridien de longitude 15 degrés Est !
