Une brève histoire de la mesure du temps

20/10/2018
Publication REE REE 2018-4
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2018-4:23846
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Une brève histoire de la mesure du temps

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130 ZREE N°4/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR Au début était le temps On peut supposer qu’au temps de la préhistoire, l’être humain était plus attaché à sa survie qu’à la mesure du temps. Cependant il est légitime de se demander à partir de quand les humains se sont souciés de compter le temps, même sans connaître la numération. On peut penser que la première approche ressentie du temps fut la notion de jour et de nuit, mais on ne sait pas à partir de quand les sociétés ont tenu compte des variations de longueur du jour et de la nuit en fonction des saisons. Il est cependant certain que certains humains ont assez vite remarqué la périodicité des cycles lunaires et compté le temps à partir des lunaisons d’une part et du retour des saisons d’autre part. C’est ici qu’apparaît une différenciation fondamentale dans l’appréhension du temps : la mesure des intervalles de temps, c’est à dire la durée, et la mesure du temps absolu, c’est à dire la date et l’heure. Au fur et à mesure que la civilisation a progressé, ces notions se sont de plus en plus différenciées. On peut résumer en disant que l’homme de Cro-Magnon n’avait pas la même appréhension du temps de cuisson du mammouth et de la durée de la période de chasse. Il n’est pas dans notre propos d’aborder les problèmes de calendrier, qui sont liés à la notion de répétition des temps longs, ce seul sujet justifierait à lui seul un dossier consistant. Les lignes qui suivent vont tenter de suivre l’évolution de la réponse de l’être humain à la question : quelle heure est-il ? Il apparaît au vu de cette simple question qu’elle introduit implicitement une autre question : pendant combien de temps ? Il existe un besoin de connaître le temps de façon reproductible, par exemple de savoir quand il est midi, aussi bien l’été que l’hiver, ou encore de vérifier que tous les ora- teurs ont bénéficié du même temps de parole. Ces deux concepts sont distincts et font appel a priori à des instru- ments différents. Le premier instrument de mesure du temps : le gnomon Les sociétés primitives savaient déterminer, avec une pré- cision qui leur suffisait, le moment où le Soleil est au plus haut dans le ciel, phénomène qui se produit tous les jours, même par temps nuageux. Il est impossible de savoir exacte- Une brève histoire de la mesure du temps André Deschamps Ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris Since the ancient Egypt, the human being has been interested in measuring the flow of time. Since then, he has been capable of distinguishing the time intervals from the absolute time. Until the Middle Age, the absolute time was determined from the sun through sun- dials. Around the tenth century, daily life was regulated by the bells of monasteries that sounded the religious hours of prayers, intervals being measured with a clepsydra. At this time the mechanical clock appeared, the main role of which was to wake the bell ringer without marking the hours. In the 14th century, clocks started to be used that sounded the hour, which revolutionized social life. A fundamental step was taken with the invention of the escapement on one hand, and the visual display of the time by a single needle on the other hand. Social constraints and advances in technology later led to the adoption of a uniform time throughout the territory. The broadcast of the official time was initially done by hard wired transmission and then soon over the air. The ultimate accu- racy will be achieved soon by the Strontium atomic clock. ABSTRACT L’être humain s’est intéressé à la mesure de l’écoulement du temps depuis l’Egypte ancienne. Depuis cette époque, il a su faire la distinction entre les intervalles de temps et le temps absolu. Jusqu’au Moyen Âge, le temps absolu était déterminé à partir de la course du Soleil par des cadrans solaires. Aux environs du Xe siècle, la vie quotidienne était réglée par les cloches des monastères qui sonnaient les heures religieuses des prières, les intervalles étant mesurés par des clepsydres. A cette époque apparut l’horloge mécanique dont le rôle prin- cipal à l’époque était de réveiller le sonneur de cloches sans marquer les heures. Au XIVe siècle, on utilisa des horloges qui sonnaient l’heure, ce qui révolutionna la vie sociale. Une étape fondamentale a été franchie avec l’invention de l’échappement d’une part et l’affichage visuel de l’heure par une aiguille unique d’autre part. Les contraintes sociales et les progrès de la technique conduisirent par la suite à l’adoption d’une heure uniforme sur l’ensemble du territoire et à l’abandon de la référence solaire par l’utilisation de systèmes comptant les secondes. La diffusion de l’heure officielle se fit dans un premier temps de façon câblée, puis bientôt par voie hertzienne. La préci- sion ultime sera atteinte dans un futur proche par l’horloge atomique au strontium. RÉSUMÉ REE N°4/2018 Z 131 Une brève histoire de la mesure du temps ment si ce besoin découle d’un besoin religieux ou artisanal, mais il est formellement attesté. Dans sa forme la plus simple, le gnomon est constitué d’une baguette fichée verticalement dans le sol. On considère seulement son extrémité haute et son pied, projection verti- cale de cette extrémité sur la table de lecture. L’image du Soleil n’étant pas ponctuelle, la projection de l’extrémité du gnomon s’entoure d’une pénombre qui rend son repérage difficile pour un instrument de grande taille. Aussi, plusieurs améliorations ont-elles été apportées : extrémité à forme conique ou pyramidale, facilitant le pointage par tracé des enveloppes des ombres de la pointe. Le pied, réel ou virtuel, donne la hauteur du gnomon et sert de point origine dans la mesure de la longueur de l’ombre projetée sur une table de lecture. L’interprétation des diverses posi- tions de l’extrémité de l’ombre d’un grand gnomon permet de définir de nombreux paramètres liés à la course annuelle et journalière du Soleil tels que : instant de midi, ligne méridienne, points cardinaux, solstices et équi- noxes, durée de l’année, etc., mais en aucun cas l’heure, car la direction de l’ombre dépend de la latitude. Un perfectionnement du gnomon : le cadran solaire Le cadran solaire est certainement l’instrument de mesure du temps le plus populaire. Si son concept nous semble évident, ce n’était pas le cas dans les civilisations primitives et l’apport des astronomes de l’époque fut nécessaire. Pour simplifier, on peut dire qu’un cadran solaire est un gno- mon non plus vertical, mais incliné. Les plus anciens indicateurs so- laires connus ont été trouvés en Égypte, mais ils n’indiquaient que des instants indéfinis et non des heures au sens où nous les entendons aujourd’hui. Les graduations correspondaient à des instants dont la signification n’était pas identifiée, peut être religieuses, mais certainement pas à une division régulière de la journée. Les premiers véritables cadrans so- laires ont probablement été introduits en Grèce antique au IVe V V siècle av. J.-C. Ces modèles indiquaient des heures de du- rées inégales qui divisaient le jour, du lever au coucher du so- leil, en 12 heures été comme hiver ; les heures d’été étaient longues, les heures d’hiver courtes. Vers le VIIe siècle, les cadrans cano- niaux apparurent en Europe à la suite des travaux de Bède le Vénérable1 . L’inclinaison du style a permis de tra- cer un diagramme de lignes horaires indiquant des heures égales, c’est-à- dire telles que nous les utilisons : un jour, d’un midi au midi suivant, est divisé en 24 heures, quelle que soit l’époque de l’année. Cependant, il faut bien noter que l’heure indiquée était celle du lieu et que l’heure n’était pas uniforme dans l’empire romain, loin s’en faut. Et la nuit ? S’il est commode d’utiliser le soleil pour lire l’heure, le problème est tout différent la nuit. On sait que les Grecs connaissaient parfaitement le ciel nocturne et les constellations. Cepen- dant, c’est surtout le passage par le milieu de la nuit qui correspondait à une lecture précise. Un instrument plus perfectionné fit son apparition vers le Xe siècle : le nocturlabe (photo 2). Celui-ci uti- lise la propriété qu’ont les étoiles de décrire chaque jour un tour complet autour de l’étoile polaire. Pour cela, on repère une étoile par son éclat ou sa position ; le segment reliant la polaire à cette étoile devient une sorte d’ai- guille décrivant une portion de cercle autour de son centre. On fait coïnci- der le centre du nocturlabe avec la direction de la polaire. Il suffisait de tenir l’appareil en bout de bras et de se servir du trou comme un viseur, le plan du dispositif étant perpendiculaire à l’axe de visée. L’heure mesurée est l’heure sidérale dont l’écart avec l’heure solaire est d’un jour sur un 1 Moine et lettré anglo-saxon né vers 672/673 en Northumbrie et mort le 26 mai 735. Photo 1 : Gnomon du VIIIe siècle conservé à l’observatoire de Gaocheng - Source Wiki Commons. Photo 2 : Un nocturlabe du XVIe siècle. Source : https://horloge-mcal.skyrock.com/ 132 ZREE N°4/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR an, compte tenu de la rotation de la Terre autour du Soleil. On conçoit que son utilisation ait requis des notions d’astro- nomie assez poussées. Les premières mesures des intervalles de temps Les instruments décrits précédemment étaient trop im- précis pour mesurer des intervalles de temps de façon re- productible. On en conçoit le besoin pour certaines utilisations religieuses, comme le temps de prière, commer- ciales, comme le temps d’une vente aux enchères, ou encore sociales, comme le temps de parole d’un ora- teur ou le temps d’une entrevue. La clepsydre est le plus ancien ins- trument sophistiqué de mesure des intervalles de temps connu. Contraire- ment au sablier, l’écoulement de l’eau est parfaitement régulier à condition de prendre certaines précautions. Le principal inconvénient de ce système est la variation de pression hydrosta- tique dans le réservoir au fur et à me- sure de l’écoulement de l’eau. Pour y remédier, les Egyptiens et les Grecs archaïques utilisaient un récipient de forme conique mais dont la forme était approximative (photo 3). Ctésibios d’Alexandrie, ingé- nieur né au IIIe siècle av. J.-C., à Alexandrie, eut l’idée d’utiliser trois réservoirs pour mainte- nir un niveau constant, donc une pression constante dans le réservoir d’écoulement. Ce troisième récipient est installé entre les deux déjà existants et est maintenu à niveau constant grâce à un trop-plein (figure 1). Un perfectionnement con- siste à installer une sorte de flotteur qui obture plus ou moins l’ouverture du premier récipient à mesure que le deu- xième récipient se remplit. Ainsi, le niveau de l’eau du deu- xième récipient reste constant. On remarque que ce système du IIIe siècle av. J.-C. est toujours utilisé aujourd’hui, dans les chasses d’eau et les car- burateurs d’automobile par exemple. Parmi les réalisations les plus connues, citons la clepsydre offerte par le calife de Bagdad à Charlemagne, en 807, met- tant en action des automates, et la gigantesque clepsydre de plus de 10 mètres de haut, réalisée en Chine par Su-Sung pour l’Empereur, vers 1090. Le sablier est un autre moyen de mesure des intervalles de temps, encore couramment utilisé aujourd’hui pour des intervalles courts de l’ordre de quelques minutes. Le pre- mier sablier apparaît vers l’an 1000. Il est peu pratique pour mesurer de longues durées, car il faut le retour- ner souvent, mais plus commode à transporter qu’une clepsydre. Le sable est constitué de coquilles d’œuf pulvérisées, du vrai sable étant trop grossier. Il est relativement fiable, et peu coûteux ; c’est l’instrument le plus répandu du XIVe au XVIIIe siècle. Il est utilisé essentiellement pour des durées courtes. D’autres instruments moins précis peuvent être cités comme la bougie, encore utilisée pour certaines ventes aux enchères, ou les horloges à en- cens utilisées en Chine depuis le VIe siècle avant J.-C. Une vie réglée par les cloches La mesure de l’heure dans l’Antiquité tardive, était deve- nue assez précise pour régu- ler la vie de la cité. Cependant, la synchronisation de l’heure entre les cités était sans im- portance, compte tenu du dé- lai des voyages. Au début du Moyen Âge, les monastères qui proliféraient, marquèrent les heures de prières en fai- sant sonner des cloches et devinrent ainsi la référence du temps social jusqu’au milieu du XIXe siècle, pendant un millénaire et demi. Seule évolua la façon de mesurer le temps entre les sonneries. Cette apparition des cloches dans les clochers, proba- blement au Ve siècle, répondait au souci de faire sonner les heures dites canoniales, qui désignaient à l’époque les prières et offices des monastères et autres églises. Le reste Photo 3 : Clepsydre athénienne archaïque reconsti- tuée - Source : Musée de l’Agora antique d’Athènes. Figure 1 : Principe de la clepsydre de Ctésibios - Source : Wikipedia. REE N°4/2018 Z 133 Une brève histoire de la mesure du temps de la vie sociale était alors ajusté sur ces sonneries. Le clergé comprit assez vite le pouvoir que l’on pouvait tirer de la maî- trise et de la distribution de l’heure. Dans les bourgs, du VIe au Xe siècle environ, la vie sociale se cala donc sur la sonnerie des offices religieux. Mais assez vite, la cloche fut utilisée pour indiquer d’autres événements, tels qu’une attaque de brigands, un incendie ou encore le rassemblement du tribu- nal. Cette sonnerie particulière, le tocsin, pouvait être donnée depuis un édifice religieux comme une église ou depuis un édifice communautaire comme un beffroi. Les heures canoniales furent utilisées durant tout le Moyen Âge. Il s’agit d’une évolution des heures du monde romain, qui étaient elles-mêmes basées sur une division en 12 parties inégales de la journée de lumière et également en 12 de la nuit. Cette évolution conduisit à utiliser, pour marquer le temps de la journée, uniquement les heures des prières et offices religieux : matines ou vigiles, laudes, prime, tierce, sexte, none, vêpres, complies. Au Moyen Âge la journée de lumière était divi- sée en quatre grandes parties : du lever de soleil à tierce, de tierce à sexte, de sexte à none et de none à vêpres. Le découpage romain en deux fois douze heures restait com- pris par les érudits, même s’il n’était plus utilisé. Mais dans la pratique, ce découpage subissait de grandes varia- tions locales, les heures temporelles et les heures canoniales ne coïncidant pas. Dans tous les cas, le temps long était déterminé par des sommes de temps courts et les erreurs souvent humaines s’accumulaient avec une moyenne qui n’était pas nulle. Ce qui fait qu’entre le XIe et le XIVe siècle, les heures canoniales se sont décalées petit à petit vers le matin, de telle sorte que none, neuvième heure du jour correspon- dant normalement à 15 h, s’est retrouvé à midi. C’est ce qui donna en anglais le mot "noon". En suivant l’évolution démographique, le commerce s’est développé avec les marchés et les foires, parfois perma- nentes comme en Champagne. D’autre part, les professions se sont spécialisées et se sont organisées en corporations régulant l’offre et la demande. De plus, les centres urbains ont acquis petit à petit leur indépendance par rapport aux seigneurs mais pas par rapport au clergé. A cette même époque, les universités sont apparues : la Sorbonne en 1215, Toulouse en 1229, Montpellier en 1289, etc. Ces premières universités témoignent non seulement d’un renouveau intel- lectuel, mais également d’un début d’indépendance vis-à-vis du pouvoir ecclésiastique et seigneurial. Dans ces lieux, les intellectuels utilisaient l’heure romaine. Mais si c’était toujours le son des cloches qui régulait la vie sociale, il faut se souvenir que celles-ci étaient activées manuellement à des instants déterminés par une clepsydre, parfois par des systèmes hydrauliques plus complexes. Ainsi l’heure sociale était-elle déterminée par la mesure d’inter- valles de temps, ce qui constituait une régression par rapport au cadran solaire romain plus ou moins précis, mais répétitif. L’horloge mécanique ou la tranquillité du sonneur Il n’y a pas de date précise pour l’invention de l’horloge méca- nique. Cependant il y a consensus sur le fait que les premières horloges entièrement mécaniques datent de 1270-1320. Ces premières formes d’horloges permettaient de réveiller le sonneur pour qu’il aille son- ner les cloches, en particulier celles de matines. Au début du XIVe siècle, l’horloge entièrement mécanique existait bien. Il s’agissait plutôt d’un gros réveil dont la fonction était de déclencher la son- nerie d’une cloche. Lors du déclen- chement de la sonnerie, un marteau tapait un nombre de coups indéter- miné sur la cloche, probablement jusqu’à ce que le poids arrive en fin de course, ou pendant un certain temps. Vers 1330, une nouvelle étape se produit, avec les horloges sonnant les heures. Plus précisément, l’indication des heures se fait par le nombre de coups frappés sur la cloche. Techniquement, faire sonner un nombre de coups déterminé sur une cloche nécessite la mise au point d’un système relativement complexe, dit « à roue de compte ». Cette invention eut des conséquences fondamentales dans la vie quotidienne. Par exemple, plutôt que de déclarer que le travail des forgerons commence lorsque telle ou telle cloche sonne pendant la durée de récitation d’un Pater, ou que le marché s’arrête lorsque telle autre cloche sonne, il fut possible de se référer aux heures sonnées par l’horloge : début du travail à 8 h, fin du marché à 6 h, etc. Les activités humaines étaient réglées à partir des sonneries de cloches indiquant l’heure légale. Photo 4 : Ancien mouvement de l’horloge horizontale de la cathédrale de Salisbury. On distingue les enroulements des contrepoids des mouvements de l’heure et de la cloche - Source : Salisbury Cathedral. 134 ZREE N°4/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR Ce n’est qu’à partir du début du XVe siècle qu’apparaît sur les horloges publiques un cadran d’indication de l’heure. Ces cadrans n’avaient alors qu’une seule aiguille, d’une part à cause de la précision des horloges à cette époque, d’autre part parce qu’une précision supérieure n’était géné- ralement pas nécessaire. Quelles que soient les techniques d’affichage, l’important ici est que l’on passe d’une indication sonore à une indication visuelle de l’heure, sans que celle-ci ne remplace la sonnerie toujours présente, et même prépon- dérante, pour la régulation de la vie sociale. Ce sont les ancêtres de nos horloges de village. Le temps évolue avec les techniques Si le cadran solaire donne une heure approximative, il ne nécessite aucune énergie externe pour fonc- tionner. La clepsydre demande d’être approvisionnée en eau et néces- site donc une intervention humaine. L’horloge à aiguilles requiert une énergie mécanique extérieure pour fonctionner, ainsi qu’un dispositif de régulation de la rotation. Dans un pre- mier temps, cette énergie était pro- duite par des contrepoids qu’il fallait remonter régulièrement. Le terme de « remonter » une montre est direc- tement dérivé de cette manœuvre. Mais le problème était d’entraîner le mouvement de façon régulière. La réponse à ce problème réside dans l’échappement, dont la première in- vention semble remonter à 1283 sous forme d’un échappement à verge (ou à roue de rencontre) utilisé dans la plus ancienne horloge mécanique connue du monde occidental, celle du prieuré de Dunstable mais Il est possible que cette invention ait été faite en plusieurs endroits indépendamment. Auparavant, la régulation de la vitesse de rotation des ai- guilles se faisait sur un axe rapide entraînant des palettes dont la résistance à l’air faisait office de frein. L’échappement est un mécanisme généralement placé entre la source d’éner- gie (ressort, poids, etc.) et l’organe à réguler. Il a pour but d’entretenir et de compter les oscillations du pendule d’une horloge ou du balancier d’une montre. Dans une horloge à gravité, il a pour but de contenir les effets d’accélération dus à la gravité qu’exercent les poids. Quand on a eu l’idée de donner aux horloges un nouveau moteur en se servant de la pesanteur, on remarque aisément que les contrepoids ont le même inconvénient que l’eau, celui de s’accélérer dans leur chute et de tomber plus vite à la fin qu’au commencement de leur descente. L’échappement entraîné par le balancier permet de retarder continuellement la descente du poids et de lui donner, dans tous les moments de sa chute, la vitesse uniforme acquise dans le premier instant. Au lieu de l’accélération, on obtient l’uniformité de mouvement, ce qui est le principe de la régularité des horloges. Le principe de fonctionnement de l’échappement est simple : devant une roue dentée à denture frontale, un arbre d’axe perpendiculaire porte une règle orthogonale où coulissent des masses de réglage d’inertie et deux palettes décalées appuyant à tour de rôle sur une dent de la roue (photo 6). Le principal progrès viendra d’An- gleterre : George Graham invente le mécanisme à ancre, encore utilisé sur nombre d’horloges du XIXe siècle. Une autre amélioration viendra encore d’Angleterre : Thomas Mudge sépare l’ancre du pendule pour créer l’ancre libre. Les dispositifs utilisant ce prin- cipe seront nombreux et ingénieux. Le problème à résoudre était de taille, car la navigation marine demandait des chronomètres précis. Pour actionner l’échappement, il est besoin de ce que l’on appelle aujourd’hui une base de temps. Les premiers dispositifs connus furent les balanciers (photos 7 et 8). Le balan- cier est un élément mobile animé d’un mouvement alternatif de va et vient. Le poids se présente généralement sous la forme d’un disque bombé, habituellement en métal lourd (tel que l’acier), afin de réduire l’influence des forces de résis- tance de l’air. Le mouvement du balancier est régulé et per- pétué par l’échappement, généralement de type « à ancre ». L’entretien du mouvement était assuré, dans les anciennes pendules, par la descente d’un contrepoids lié à un tam- bour par l’intermédiaire d’une chaînette ou d’une cordelette. Photo 5 : Horloge à une aiguille du XVIIe siècle à Briançon.Source : https://www.horloge-edifice.fr/ Histoire/Histoire_Sociale.htm Photo 6 : Un système d’échappement moderne. Source https://www.hautehorlogerie.org/fr/ encyclopedie/lexique-de-lhorlogerie/s/echappement/ REE N°4/2018 Z 135 Une brève histoire de la mesure du temps L’entraînement par détente d’un res- sort fut plus récemment préféré pour les petits volumes en raison de son moindre encombrement ; ce ressort se « remontait » également avec une clé. Dans les montres et les chrono- mètres, le balancier est remplacé par un volant d’inertie. Un ressort spirale lui est accouplé et permet au balan- cier d’osciller d’un mouvement régu- lier. Ce mouvement est entretenu par l’ancre, qui imprime au balancier une impulsion à chacune des deux alter- r r nances d’une oscillation. L’échappe- ment fonctionne comme un bras de levier et le couple du ressort principal, transmis par les rouages, s’exerce sur les surfaces de frottement de l’ancre (photo 9). Le temps : une contrainte de la vie sociale Entre le XIIIe et le XXIe siècle, la pression de l’heure sur la vie quoti- dienne est devenue de plus en plus importante. Alors que de vagues indications temporelles suffisaient à régler la vie sociale au Moyen Âge, nous vivons aujourd’hui avec une forte contrainte d’horaires. Globale- ment, là où une précision de l’ordre de l’heure suffisait, nous sommes aujourd’hui réglés à la minute près. Cette évolution de la pression tem- porelle s’est accompagnée d’une double évolution : d’une part les horloges sont devenues de plus en plus précises et d’autre part, elles se sont multipliées dans notre quoti- dien. C‘est à la fin du XVIIe siècle que commence à apparaître l’aiguille des minutes sur les cadrans. L’unique horloge de l’église du village fut complétée par des horloges privées, puis par des montres, sans oublier les multiples horloges qui accom- pagnent désormais nos appareils électroniques. Un luxe ostentatoire : l’horloge astronomique A une époque de développement des monuments religieux, il était tentant de montrer son prestige en exhibant un savoir-faire. Ce fut le développement des horloges astronomiques. Elles sont construites comme pièces de démons- tration ou d’exposition, aussi bien pour impressionner que pour informer. Elles mettent en avant les compétences tech- niques des artisans ainsi que la richesse de leurs mécènes. Une horloge astronomique est une horloge qui affiche l’heure ainsi que des informations relatives à l’astronomie. La plupart de ces horloges indiquent entre autres les positions relatives du Soleil, de la Lune, des constellations du Zodiaque, les planètes les plus brillantes, ainsi que toutes sortes d’informations cycliques comme la durée du jour et de la nuit, l’âge et la phase de la Lune, la date des éclipses, de Pâques et d’autres fêtes reli- gieuses, la date et l’heure des marées, l’heure solaire, l’heure inégale ou tem- poraire, le temps sidéral, la date des sols- tices, une carte du ciel, etc. On se rend compte de la prouesse technologique en se souvenant que certaines sont encore en service à notre époque. En Europe, les horloges astronomiques apparaissent au XIVe V V siècle. Les horloges de Richard de Wallingford à St Albans exécutée dans les années 1330 et de Giovanni Dondi à Padoue fabriquée entre 1348 et 1364 sont des chefs-d’œuvre. La photo 10 représente une horloge plus récente. Mais à la fin du XVIIIe siècle, les grandes villes commencèrent à adopter un « temps solaire moyen » de 24 heures par jour. En 1839, le ministre de l’Inté- rieur français recommande d’utiliser le temps moyen « afin d’établir la régulari- i i té dans les heures de départ et d’arrivée des courriers du service postal ». L’heure l légale était née en France. Mais ce n’était pas suffisant pour harmoniser une heure identique en tous points du territoire. Photo 7 : Le mécanisme à balancier de l’horloge de Lichtemwalde - Source : Wiki Commons. Photo 8 : La célèbre horloge dite « comtoise ». Source : Wikipédia. Photo 9 : Echappement moderne d’une montre bra- celet mécanique. On remarque la roue à contrepoids d’inertie couplée au ressort bleuté. Un dispositif avance-retard permet de régler finement la tension du ressort en spirale - Source : Wiki Commons. Photo 10 : L’horloge astronomique de Besançon. 136 ZREE N°4/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR Conjointement à l’augmentation de la pression temporelle et de la précision des horloges, les indications horaires sont devenues de plus en plus abstraites, c’est-à-dire de moins en moins liées au mouvement de rotation de la Terre autour du Soleil. Dans l’Antiquité, comme nous l’avons souligné plus haut, en fonction des saisons, les « heures » du jour et de la nuit n’avaient pas la même durée. Il s’agissait du système dit des heures temporelles ou heures inégales. Or, petit à petit, l’indication de l’heure s’est affranchie de sa référence au Soleil. La première étape de cette évolution a consisté à utiliser des heures égales, c’est-à-dire de même durée entre le jour et la nuit et quelle que soit la saison. Cette évolution fut en quelque sorte imposée par l’utilisation des horloges, difficiles à régler différemment le jour et la nuit. C’est le développement des réseaux de chemin de fer qui imposa cette mutation. Auparavant, l’heure en un endroit était déterminée par le réglage approximatif de l’horloge sur le cadran solaire local, donc sur des heures différentes. L’heure à Brest, à Paris ou à Strasbourg n’était pas la même à un instant donné, le décalage entre l’Est et l’Ouest de la France étant d’environ une heure. Mais dans les années 1830-1850, avec le développement du train, les compagnies de chemin de fer imposèrent dans les gares des heures d’arrivée et de départ exprimées en fonction de l’heure locale du siège de la société de chemin de fer. Par exemple, si un train partait à 8 h 17, heure de la gare de départ, cela pouvait correspondre à 8 h 03 heure locale de la gare d’arrivée. Certaines horloges furent alors équipées de deux cadrans, un pour l’heure de la gare, l’autre pour l’heure locale. En 1891, pour mettre fin à la multiplication des heures de référence, l’heure de Paris devient la réfé- rence nationale en remplacement des heures des compa- gnies de chemin de fer. L’heure légale fut donc encore une fois décalée par rapport à l’heure solaire. Cette unification de l’heure sur le territoire national fut suivie d’une unification de l’heure au niveau international. La France attendit 1911 pour aligner son heure officielle, dite heure légale, sur celle du méridien de Greenwich. Le 9 mars 1911, l’heure légale en France devint officiellement l’heure moyenne à Paris décalée de 9 minutes et 21 se- condes. A ces modifications vint s’ajouter pour la France les heures saisonnières. Ce système fut institué en 1917, puis abandon- né en 1945, repris en 1976 et sera probablement abandonné en 2019. Il finalisa le découplage progressif entre les heures solaires et les heures légales qui sont devenues de moins en moins liées à la journée de lumière. A cette évolution s’ajoute, sur le plan scientifique, une étape supplémentaire dans les années 1960 avec la nouvelle définition de la se- conde qui n’est plus définie comme « la fraction 1/31 556 925, 9747 de l’année tropique pour 1900 janvier 0 à 12 heures de temps des éphémérides », mais comme « la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fonda- mental de l’atome de césium 133 ». La référence au soleil a ainsi complétement disparu. Photo 11 : L’horloge à deux fois douze heures de la cathédrale de Chartres. Source : Wiki Commons. Photo 12 : Horloge à balancier excité électriquement vers 1920 - Source : SNCF. REE N°4/2018 Z 137 Une brève histoire de la mesure du temps Au quatrième top… Le besoin d’une heure précise dans le monde entier, en particulier pour les marins, apparut en même temps que l’uti- lisation des ondes hertziennes. La détermination de la posi- tion d’un navire au sextant est d’autant plus précise qu’est connue l’heure du méridien de référence. Les plus anciens se souviennent tous des émissions grandes ondes des radios nationales avec, toutes les heures, l’annonce « Au quatrième top, il sera exactement… ». L’utilisation des longueurs d’ondes kilométriques en usage à l’époque permettait de recevoir ce message dans le monde entier et, si besoin était, de remettre sa montre à l’heure avec une précision d’une seconde. Cette précision est encore largement suffisante pour la vie courante. Le premier dispositif d’automati- sation de la diffusion de l’heure par téléphone a été inventé en 1933 par Ernest Esclangon, directeur de l’Ob- servatoire de Paris, qui était excédé de voir la seule ligne de son institution régulièrement occupée. Le premier dispositif utilisait la technique du film parlant : la machine était constituée d’un cylindre portant trois ensembles de bandes de films parlants : le pre- mier pour l’énoncé des heures de 0 à 23 heures, le deuxième pour celui des minutes de 0 à 59 minutes, le troisième correspondant à 10, 20, 30, 40 secondes puis à l’annonce « au quatrième top, il sera exactement », l’ensemble étant couplé à une horloge fondamentale de l’Observatoire de Paris qui donnait le top. C’est Marcel Laporte, un speaker de la radio qui a alors enregistré sa voix sur ces bandes sonores. Ce message était accessible par téléphone, mais aussi diffusé sur les longueurs d’ondes kilométriques donc accessible dans le monde entier. Si l’idée d’une machine automatique à dire l’heure par téléphone et par radiodiffusion revient au professeur Esclan- gon, c’est l’ingénieur Paul Nimier et son assistant Legoff des Ateliers Brillié de Levallois-Perret, qui ont conçu et réalisé la première horloge parlante (photo 13). Depuis 1991, la réfé- rence de temps est fournie par une horloge atomique et les sons sont numérisés. La modification fondamentale est que toute horloge, qu’elle soit aussi bien une horloge de salon, une horloge d’église ou une montre bracelet, est maintenant coordonnée sur une seule source qui compte les secondes et qui ne regarde plus le Soleil. L’affichage numérique Les progrès de l’électronique ont conduit à concevoir des montres à affichage numérique, les aiguilles étant rempla- cées par des afficheurs à LED dans un premier temps puis à cristaux liquides. La conception entiè- rement électronique de ces horloges a conduit à remplacer le balancier par un quartz. Aujourd’hui la technique permet de combiner la précision du quartz avec un affichage à aiguilles. Créée en 1967, la première montre bracelet à LED fut commercialisée en 1969 sous le nom de Beta 21. Ce n’est qu’en 1975 que fut proposée la première montre à quartz et à affi- chage analogique à cristaux liquides. La précision des premiers quartz était inférieure à celle des systèmes à échappement, ce qui a conduit vers des systèmes de remise à l’heure au- tomatique permettant une précision sur long terme alors encore inégalée. DCF77 est un système allemand de transmission de l’heure légale par ondes radio, sur une large zone de couverture. Il a été mis en ser- vice le 1er janvier 1959 par la Phy- sikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), à l’initiative du gouvernement allemand. Son émetteur est situé à Mainflingen, près de Francfort-sur- le-Main. Il possède une horloge ato- mique au césium et donne l’heure absolue, avec un écart théorique d’une seconde d’erreur pour un mil- lion d’années. L’information est émise en grandes ondes par un émetteur dont la portée est de 1 500 km environ. L’information a été reçue dans un premier temps par des horloges fixes, puis, avec l’évolution de l’électronique, par des horloges portables. Avec un tel système il est possible d’utiliser des horloges dont la dérive est importante dans la mesure où la remise à l’heure est effectuée plusieurs fois par jour. Et nos montres sont ainsi à nouveau coordon- nées par un temps universel provenant d’une horloge qui Photo 13 : La première horloge parlante de l’Observatoire de Paris en 1933. Source : Observatoire de Paris. Photo 14 : La première montre à affichage numérique. Source : Wikipédia. 138 ZREE N°4/2018 ❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱❱ RETOUR SUR compte les désintégrations d’un atome de référence. Nous voilà bien loin de l’heure astronomique basée sur la course de la Terre autour du Soleil, bien plus irrégulière que les références atomiques. Cette heure, basée sur une horloge atomique de très grande précision, est celle que nous recevons sur nos télé- phones portables, ou autres objets connectés, elle nous sert à remettre à l’heure nos horloges de maison ou notre montre bracelet, si elle n’est pas elle-même connectée. A l’heure de l’atome, la précision ultime Comme nous venons de le voir, la seconde n’est plus défi- nie par les astres, mais par l’atome. Cette modification, qui peut sembler peu logique, est justifiée par la ré- gularité universelle de la transition entre les deux niveaux hyper- fins de l’état fonda- mental de l’atome de césium 133, alors que la durée de révolution de la Terre autour du Soleil est irrégulière et que son interprétation nécessite des correc- tions continues. Tou- tefois, notre vie étant réglée par le Soleil, il convient parfois de corriger le temps universel d’une seconde pour se recaler sur la révolution de la Terre. S’il est concevable que les scien- tifiques aient besoin d’une horloge ou d’un chronomètre de grande précision, ce n’est pas le cas dans la vie quotidienne et une précision d’une minute est d’ordinaire suffi- sante. Pourtant nous utilisons cou- ramment le GPS. Or notre position GPS est déterminée par le récep- teur en comparant les signaux ho- raires provenant d’au moins quatre satellites captés depuis la position à déterminer. Et la précision en position est d’autant meil- leure que les horloges sont précises. Ce sont donc des hor- loges atomiques qui sont embarquées. Aujourd’hui, selon le nombre de satellites captés, la précision peut aller de 50 m à 3 m avec des horloges dont la précision est meilleure que 10-15 . Les horloges atomiques (figure 2) sont basées sur la rela- tion de Bohr reliant la différence d’énergie entre deux niveaux atomiques à la fréquence de l’onde absorbée ou émise lors d’une transition d’un niveau à l’autre, où h est la constante de Planck (6,63.10-34 J.s). Son caractère immuable en fait une référence de fréquence. Pour une utilisation pratique, on emploie un oscillateur local, à partir duquel on génère une onde électromagnétique de fréquence aussi proche que possible de la fréquence atomique. Si l’on est suffisamment proche de la résonance, le nombre d’atomes changeant d’état est proportionnel à la différence entre la fréquence d’interrogation et la fréquence atomique. En détectant ces atomes on obtient un signal utilisable pour corriger la fréquence de l’oscillateur qui est ainsi calée sur la référence atomique et délivre aux utilisa- teurs une fréquence stable et connue. Une horloge atomique est obtenue en comp- tant les périodes de l’oscillateur. Ceci est l’analogue de l’horloge à balancier de Huygens (XVIIe siècle), le pen- dule est remplacé par l’atome, les engrenages par la chaîne de multi- plication de fréquence entre l’oscil- lateur et l’atome. Mais l’horloge atomique au cé- sium sera remplacée demain par l’horloge optique au strontium. Dans cette horloge (photo 15), l’équivalent de l’oscillateur à quartz des horloges à césium est le laser stabilisé sur la fréquence 429 THz. Actuellement sa stabilité de fré- quence ramenée à 1s est de 1x10-15 et son exactitude 4x10-17 . Une telle incertitude correspond à moins de 10 s sur l’âge de l’Univers… Ce qui nous laisse un peu de temps pour mesurer cette dérive. Q Figure 2 : Principe d’une horloge atomique. Photo 15 : Le piège magnéto-optique de l’horloge au strontium - Source : J. Lodewyck. REE N°4/2018 Z 139 Une brève histoire de la mesure du temps André Deschamps est ingénieur de recherche hors classe honoraire à l’Observatoire de Paris. Il est président de la commission « Radioastronomie » de l’URSI-France. Il a travaillé sur des grandes missions scientifiques spatiales (ROSETTA, Herschel, etc.) pour les- quelles il a reçu un award de la NASA et un autre de l’ESA. Il a été représentant de la radioastronomie française auprès de l’ANFR (Agence nationale des fréquences) et de l’ITU (International Telecommunication Union, Genève). L'AUTEUR De l’heure pour les marins Avant l’apparition du GPS, les marins faisaient une estimation de leur position au sextant. Cette méthode nécessitait une connaissance aussi parfaite que possible de l’heure du méridien d’origine qui fut longtemps le méridien de Paris pour la « Royale ». C’est une des raisons qui pous- sèrent Louis XV à faire construire l’Observatoire de Paris, son rôle premier étant de calibrer les horloges de marine. On comprend que les horloges doivent être régulièrement remises à l’heure. Mais les horloges embarquées dans les navires doivent garder l’heure solaire absolue sur des périodes qui peuvent durer plusieurs années. Un chronomètre de marine est une horloge suffisamment précise pour être utilisée comme une base de temps portable, y compris sur un véhicule en mouvement. Le développement de ces instruments au cours du XVIIIe siècle a constitué une avancée technologique majeure, car la connaissance précise de l’heure durant un voyage au long cours était nécessaire à la navigation astronomique pour pouvoir déterminer la longitude. Le premier chronomètre véritable fut le résultat des efforts acharnés d’un seul homme, John Harrison, au long de 31 années d’essais et d’erreurs. Cette invention révolutionna l’art de la navigation maritime. John Harrison, un artisan ébéniste du Yorkshire, soumit un projet en 1730, et construisit en 1735 une horloge basée sur un couple de poids oscillant en sens inverse et reliés par des ressorts, dont le fonctionnement n’était influencé ni par la pesanteur, ni par les mouvements d’un navire. Ce système fut amélioré par le Français Pierre Le Roy, horloger de Louis XV, qui inventa en 1748 l’échappement à détente caractéristique des chronomètres modernes. Puis en 1766, Le Roy inventa un chronomètre comportant un échappement à détente, un balancier à compensation de température et un ressort isochrone. Photo 16 : Le chronomètre de Pierre Le Roy. Source : Arts et Métiers. De l’heure pour les trains On a vu l’importance, particulièrement pour les moyens de transports, de ne posséder qu’une seule et même indication horaire sur l’ensemble d’un territoire. Encore fallait-il pouvoir synchroniser toutes les horloges d’un même réseau à la minute près à une époque où les ondes hertziennes étaient balbutiantes. La synchronisation ne peut se faire qu’à partir d’une seule horloge (maîtresse) dont la stabilité en temps est supérieure à celle des autres horloges (esclaves). Le principe le plus ancien est celui qui était encore utilisé récemment par les chemins de fer helvétiques (CFF). La particularité de cette horloge est sa trotteuse rouge vif qui, au contraire des autres horloges, ne passe pas d’une seconde à l’autre par à-coups mais avance en continu. Elle possède une autre spécificité : elle fait le tour du cadran en 58,5 secondes et marque donc un arrêt compris entre 0,5 et 1,5 seconde environ à chaque minute pleine. C’est une horloge très peu précise. Mais toutes les horloges de gare recevaient à chaque minute une impulsion électrique de l’horloge principale du poste de commande de Zurich qui lui était d’une grande précision. Cette impulsion durait alors 1,5 seconde. Ainsi un système constitué d’un grand nombre d’horloges peu précises était-il doté d’une précision supérieure à 1,5 seconde en permanence. Cette célèbre pause au changement de minute est due à l’inventivité de Hans Hilfiker, ingénieur des télécom- munications, entré aux chemins de fer fédéraux en 1932. Photo 17 : La célèbre horloge des chemins de fer helvétiques. Source : SBB – CFF.