On a vu que la mesure du temps occupe une place importante dans l’histoire de l’humanité. Dans cette partie nous verrons comment l’homme a tenté de contrôler le temps en le mesurant.
La mesure du temps grâce aux phénomènes périodiques naturels
Les premiers fondements pour la mesure du temps furent des phénomènes périodiques naturels comme le déplacement du soleil ou le cycle lunaire. Dans le temps, les civilisations se sont inspirées de ces phénomènes pour concevoir et mettre au point des appareils de mesure du temps de plus en plus précis.
La première trace d’outil servant à mesurer le temps remonte à l’antiquité, 2500 avant J.C : le gnomon, l’ancêtre du cadran solaire, une invention des babyloniens. En effet cet instrument est tout simplement un simple bâton qui est planté verticalement sur le sol et les premières civilisations mesurent le temps à l‘aide de l’ombre de ce dernier planté dans le sol. C’est ce dernier qui permit la première mesure. Or cette méthode présente un désavantage, elle ne fonctionne que pendant le jour et par temps non couvert.
Cette invention du gnomon est transmise au Égyptiens qui créent le premier cadran solaire et apparut en 1500 avant J.C. Cependant, comme le gnomon, il donne l’heure locale seulement avec la présence du soleil. C’est une surface plane sur laquelle sont gravés des traits indiquant l’heure, et plantée une tige appelée « style ». La position de l’ombre révèle l’heure au soleil et le cadran est divisé en 12 heures du lever au coucher du soleil. Cependant, la durée des heures varie avec la durée des jours en fonction des saisons. Les cadrans solaires indiquent des heures différentes en fonction de l’endroit où il se situe suite à la position du soleil. La graduation du cadran se perfectionne petit à petit, mais elle reste toujours imprécise.
Utilisation des phénomènes périodiques mécaniques
Cependant l’homme au fil du temps ne s’est pas seulement basé sur des phénomènes périodiques naturels. L’homme va mettre au point des dispositifs de mesure de temps basés sur des phénomènes périodiques mécaniques pour les usages de la vie quotidienne.
Le premier instrument pour mesurer le temps que l’homme contrôla totalement fut l’horloge hydraulique ou bien plus connu sous le nom de clepsydre qui fut mise au point par les égyptiens vers -1500. Cet instrument mesure le temps par l’écoulement d’une quantité d’eau d’un récipient dans un autre. À l’intérieur du récipient, il y a des graduations qui permettent ainsi de mesurer des intervalles de temps. Cependant cet instrument n’est pas fiable, la vitesse de l’écoulement varie en fonction de la température et de la pression de l’eau et il est donc difficile d’obtenir un écoulement régulier du liquide car au fur et à mesure que le bol se vide, l’écoulement de l’eau devient plus faible, ce qui résulte à une quantité d’eau écoulée différente pour une même durée lorsque le bol est plein et lorsqu’il est vide. Dans le même principe, le premier sablier apparaît vers l’an 1000, ils ont été inventé afin de limiter le temps de parole des orateurs trop bavards. Cependant il était peu efficace pour mesurer des longues durées car il fallait le retourner souvent, le bulbe rempli de sable est placée en haut et par effet de la gravité, le sable s’écoule lentement et régulièrement dans l’autre.
Puis les première
s horloges mécaniques qui donnent l’heure par une solution à l’origine entièrement mécanique furent réalisées à partir du XIV Siècle. Au début, elles sonnent les cloches et ne possédaient pas de cadran mais au XVe siècle il n’y aura que l’aiguille des heures. Ces premières horloges, sont constituées d’une pièce, d’un balancier « un foliot », simple tige aux extrémités de laquelle sont accrochées deux masses. La position des masses placées sur chaque extrémité du foliot permet de régler le rythme du va-et-vient et ce le mouvement, ce balancement, est entretenu par une roue qui tourne sous l’effet du poids. Puis ce mouvement est transmis à des rouages qui entraînent les aiguilles.
Toutes les années n’ont pas la même durée à cause des différents mouvements de la Terre, rotation et révolution, qui sont irréguliers, ce qui modifie sensiblement la durée de l’année de quelques microsecondes. L’étape suivante fut l’horloge atomique qui est actuellement l’instrument de mesure du temps le plus précis , d’où l’a mise au point du temps atomique international, le TAI pour répondre à la précision. Elle a été créé en 1947 crée par H.Lyons. Cependant depuis 1967, c’est l’horloge atomique à jet de césium développé par Zacharias, qui sert à définir la seconde, l’unité du système international qui fut définie suite à la Conférence générale des Poids et Mesures, comme « la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome césium 133 ». L’horloge atomique à jet de césium présentée schématiquement sur la figure ci-dessous, dépend du césium qui est un métal. Cette horloge atomique est basé sur une propriété quantique. En effet n atome peut être dans différents niveaux d’énergies et des valeurs très précises. Pour qu’un atome effectue une transition, d’un niveau d’énergie E1 vers un niveau supérieur E2, il faut l’exciter avec un rayonnement dont la fréquence est la différence d’énergie entre les deux niveaux soit :
où h étant la constante de Planck valant 6,63×10-34 J⋅s.
Si on excite avec un rayonnement dont la fréquence est très différente de la fréquence nécessaire, l’atome n’effectue pas la transition. La probabilité qu’il effectue la transition est d’autant plus grande que la fréquence de rayonnement est proche de la fréquence fixée par la différence d’énergie entre les deux niveaux. Le nombre d’atome excité dépend de la fréquence de rayonnement. L’horloge atomique fonctionne sur ce principe en utilisant un très grand nombre d’atomes de césium. Les atomes se trouvant dans un niveau d’énergie fixé sont envoyés dans la cavité de l’horloge où ils sont soumis à un rayonnement électromagnétique afin d’être excités pour passer d’un niveau A à un niveau B. L’intensité de ce rayonnement est varié jusqu’à obtenir un nombre maximum d’atome qui passe d’un état A à un état B et pour être aussi près de la fréquence exacte qui caractérise la transition. Un second système sépare la direction des atomes lors de sélection de sortie et un détecteur qui est placé sur le trajet des atomes d’un des deux états compte le nombre d’atomes reçus. Ces atomes ont une vibration de 9 192 631 770 fois par seconde. Puis cette période reliée à un dispositif permet de traduire le signal reçu à chaque seconde.
Pour conclure, l’Homme a tout d’abord mesuré le temps a partir des phénomènes périodiques naturel qui ont servi de premières références, en revanche, ils n’offrent pas un écoulement du temps totalement régulier. Puis, peu à peu, il s’est inspiré de phénomènes périodique mécanique beaucoup plus uniforme, pour mettre au point de l’appareil de mesure plus précise du temps, comme les horloges. Cependant il n’est pas parvenu à créer un instrument de mesure parfait pour mesurer le temps.
L'écoulement du Temps 