Les premières références de mesure du temps furent des phénomènes périodiques, comme le déplacement quotidien de l’ombre, le retour des saisons ou le cycle lunaire. Avec le temps, les civilisations se sont inspirées de ces phénomènes pour concevoir et mettre au point des dispositifs de mesure du temps de plus en plus précis.

Le cadran solaire

Le premier cadran solaire de l’humanité est égyptien et il date de 1500 avant JC. Il donne l’heure locale seulement quand il y a du soleil. C’est une surface plane, dans laquelle est plantée une tige appelée « style ». La position de l’ombre révèle l’heure au soleil. Le cadran est divisé en 12 heures du lever au coucher du soleil. Dès lors, la durée des heures varie avec la durée des jours en fonction des saisons. La graduation du cadran se perfectionne petit à petit, mais elle reste toujours imparfaite en raison de l’orientation verticale du style. Au XIV siècle, les Arabes inclinent la tige du cadran selon la latitude du lieu et en font un instrument fiable.

La clepsydre

En parallèle aux cadrans solaires se développent d’autres instruments de mesure du temps comme la clepsydre. Elle a l’avantage de fonctionner de jour comme de nuit, indépendamment des conditions météorologiques. Ce grand vase percé à sa base, gradué à l’intérieur et qui laisse échapper un mince filet d’eau est d’abord utilisé par les égyptiens pour mesurer des durées relativement brèves. Les Grecs la rende plus précise en lui ajoutant un cadran et une aiguille. Les clepsydres à tambour compartimenté sont encore fabriquées au XVIII siècle. Elles fonctionnent de la manière d’une roue à aube, l’heure étant indiquée par l’axe du tambour et la descente s’effectuant en 24 heures. Cependant, les clepsydres restent très imprécises due au débit de l’eau qui varie selon la température ambiante.

Le sablier

Le sablier fonctionne selon le même principe que la clepsydre mise à part que l’eau est remplacée par du sable. Il est utilisé couramment au XIV siècle, pour remplacer le cadran solaire lorsque le ciel est couvert. Son usage se répand notamment dans la marine où il sert à définir le service de bord de quatre heures, le quart.

Les horloges mécaniques

La véritable révolution dans la mesure du temps vient de l’horloge mécanique au XIV siècle, où le poids de l’eau est remplacé par un solide. Un mécanisme, régulant la chut de poids apparaît : l’échappement. Celui- ci bloque le poids et donc la rotation des roues pendant un temps court, à intervalles réguliers, grâce à un pendule ou un balancier. On mesure alors un temps artificiel qui dépend de la correction des effets de la pesanteur. Ce n’est plus un temps continu, mais un temps divisible en unités successives.

– Les horloges à foliot > Ecart de marche pouvant aller jusqu’ à 1 heure par jour.
La véritable horloge mécanique apparaît au cours du XIV siècle. Elle est dotée d’une pièce appelée « folio » qui régule l’énergie fournie par un poids à une roue. Ensuite, le mouvement est transmis à des rouages qui entraînent les aiguilles. La régulation est imparfaite car la dérive peut atteindre 1heure par jour. Reliées à une cloche, elles sonnent l’heure et sont avant tout destinées aux moines dont les journées sont découpées à la règle de Saint Benoît en sept périodes de prières.

– Les horloges à pendule > Abaissent les erreurs de 6 à 1.
L’horlogerie est révolutionnée en 1657 grâce à l’invention de la première horloge à pendule. Elle est le résultat des travaux de Christian Huygens (1629-1695), mathématicien, physicien et astronome, à partir des découvertes de Galilée (1564-1642) sur les propriétés d’oscillations du pendule. En effet, vers 1583 il découvre l’isochronisme du pendule oscillant. A savoir que la durée des oscillations est indépendante de l’amplitude (l’angle déterminé par la position d’équilibre du pendule et l’une de ses positions extrêmes d’oscillation). Christian Huygens découvre alors que la durée augmente légèrement en cas de fortes amplitudes. Selon lui les petites oscillations du pendule sont isochrones, donc constantes et régulières en l’absence des frottements de l’air. Une fois la première horloge à pendule réalisée, presque toutes les horloges à folio existantes sont alors transformées en horloge à pendule.

– Le spiral réglant > Précision multipliée par 5.
En 1675, la première montre à balancier à spiral voit le jour, inventée par Huygens également. L’organe réglant est constitué d’un balancier, petit volant mécanique, couplé à un fin ressort d’acier et enroulé en forme de spiral. Il a la même fonction sur le balancier que la pesanteur sur un pendule. A la fin du XVII siècle est mis en place l’indication des heures et des minutes grâce à deux aiguilles concentriques qui font le tour en 12 heures et 1 heure. L’horloger Danier Quare (1649-1724) crée le cadran, qui sera modifié plus tard par l’ajout de l’aiguille des secondes.

L’horloge à quartz

Une Précision multipliée par 10.

L’horloge à quartz constitue un véritable progrès. Le quartz est une forme de dioxyde de silicium (SiO2) qui abonde dans la nature. Le quartz résonne à une fréquence qui lui est propre et sa dureté lui permet d’avoir des fréquences de vibration élevées. 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 mécanique. Le premier oscillateur à quartz est créé en 1930. Quant à la montre à quartz, bien plus petite, elle n’apparaît que dans les années 1970.

L’horloge atomique

Ecart de marche d’une seconde tous les 3 millions d’années.

Dans l’horloge atomique, 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 date de 1947. Au début, elle fonctionne grâce aux transitions atomiques de la molécule d’ammoniac. Par la suite, on utilise le rubidium, puis le césium en 1955. C’est ce dernier corps qui assure actuellement le fonctionnement le plus exact et le plus stable pour une horloge atomique.

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.

Sources : http://www.thewatchavenue.com | http://fr.wikipedia.org/ | http://pedagogie.ac-toulouse.fr | http://www.clg-goussons-gif.ac-versailles.fr