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Pendant des millénaires l’homme s’est basé sur des moyens rudimentaires pour diviser les journées. Par l’observation des astres il lui était possible de fractionner les journées en aurore, zénith et crépuscule. Le désir de se situer dans le temps à tout moment du jour et de la nuit et les progrès en matière de communication ont poussé l’homme à développer des moyens de mesure du temps toujours plus précis.
Il est possible de classifier les instruments de mesure du temps en différentes catégories en fonction de leurs mécanismes. Ces instruments peuvent être utilisés pour indiquer directement une heure ou pour mesurer des intervalles de temps.
Instruments basés sur le mouvement des astres
La première invention de l’homme pour mesurer le temps a été le gnomon. Cet instrument, apparu dans l’antiquité, consiste en un simple bâton planté verticalement dans le sol. Au fil de la journée la course du Soleil dans le ciel fait varier la taille et l’orientation de l’ombre projetée par le bâton permettant ainsi de reconnaître les heures du jour.
Le cadran solaire est l’héritier direct du gnomon. Il est constitué d’un disque gradué par des lignes (qui indiquent les heures) au centre duquel est plantée une tige inclinée appelée le style. Son principe proche de celui du gnomon repose sur la variation de l’ombre du style en fonction de la position du Soleil. La différence majeure avec le gnomon est la graduation du cadran qui permet une lecture plus précise de l’heure. En revanche, comme le gnomon, le cadran solaire ne peut être utilisé que par temps clair et seulement de jour!
Instruments basés sur l’écoulement
La clepsydre est une horloge à eau. La plus ancienne trace de clepsydre vient d’Egypte et date de 1400 av. J.-C. Les premières clepsydres se présentent sous la forme d’un récipient de forme évasée percé à son point le plus bas d’un trou qui permet l’écoulement régulier de l’eau dans un récipient placé en contrebas. Des graduations à l’intérieur du récipient permettent de mesurer des intervalles de temps en fonction du niveau d’eau dans le récipient. L’inconvénient majeur de ce système est qu’il est soumis aux variations de température qui modifient le temps d’écoulement de l’eau.
Le sablier est un instrument bien connu. Il est constitué de deux bulbes de verre communiquant par une petite ouverture. L’écoulement du sable d’un bulbe à l’autre par l’effet de la gravité permet de mesurer un intervalle de temps précis. Pour mesurer un nouvel intervalle de temps, il faut retourner le sablier. Contrairement aux clepsydres, les sabliers ont une vitesse d’écoulement constante. De plus ils sont moins sensibles aux variations de température, ce qui facilite les mesures.
Instruments basés sur la combustion
La chandelle horaire a été un instrument de mesure important au Moyen Âge. Il s’agissait de bougies graduées sur leur face extérieure. C’est la combustion de la bougie qui permettait de mesurer des intervalles de temps.
Des lampes à huiles équipées de réservoirs gradués ont également été utilisées comme instruments de mesure du temps. C’est la diminution du niveau d’huile dans le réservoir au fil de la combustion de la mèche qui permettait de mesurer les intervalles de temps.
Instruments basés sur des mécanismes périodiques
Le premier instrument basé sur des mécanismes périodiques date du quatorzième siècle, c’est l’horloge à foliot. Ces horloges sont actionnées par un poids principal suspendu à une corde qui entretient la rotation de l’axe d’une roue dentée et la rotation d’une aiguille sur un cadran. Le balancier appelé foliot a pour fonction de libérer périodiquement la roue dentée régulant ainsi la rotation de l’aiguille. Toutefois l’horloge à foliot manque de précision, un décalage d’une heure par jour était habituel et la resynchronisation devait se faire à l’aide d’un cadran solaire.
Christiaan Huygens crée la première horloge à ressort en 1675. Au lieu du poids, la source d’énergie provient d’un ressort tendu c’est ce qui a permis la miniaturisation des mécanismes et l’apparition des montres mécaniques. Il est à noter que les montres mécaniques doivent être remontées, c’est à dire que leur ressort doit être retendu régulièrement.
Les montres a quartz, qui apparaissent au début du vingtième siècle, n’ont pas besoin d’être remontées. Au lieu d’un ressort, la source d’énergie vient d’une pile qui fournit un courant électrique à un cristal de quartz qui produit une oscillation régulière; c’est ce qui alimente le mécanisme de la montre et fait bouger les aiguilles.
Les découvertes de la physique nucléaire ont permis le développement d’horloges atomique au Césium. Le principe se base sur les propriétés physiques des atomes de Césium. Ces horloges sont extrêmement précises; elles accumulent moins d’une seconde d’erreur tous les 100 millions d’années!
La course à la précision
Une précision extrême dans la mesure du temps est devenue indispensable à notre quotidien. Les masses de données transmises par les réseaux de télécommunication (téléphonie, internet) doivent être synchronisées de manière très précise. Les systèmes de localisation par satellite nécessitent une mesure du temps au milliardième de seconde près, que seule l’horloge atomique peut atteindre.
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