1. L’Horloge, le temps et la durée

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Représentation du passage dans le temps d'un chronomètreQuand vient l’idée de temps on pense instinctivement à un instrument qui prétend le mesurer (ou que nous croyons qu’il le mesure) : l’horloge. Le temps est alors considéré comme un nombre. Cette conceptualisation du temps par un nombre constitue la première mathématisation du temps, le temps ne semble avoir qu’une dimension alors que l’espace est apparemment tridimensionnel (du moins à notre échelle). Si l’on demande qu’est-ce que mesure une horloge, ou que mesure une montre, on répond à coup sûr : le temps. Mais qu’est-ce que le temps ? Que montre, représente, symbolise chaque aiguille par leurs positions successives et cycliques dans l’espace qu’occupe le cadran de la montre, chaque grain de sable qui s’écoule dans le sablier (on peut remarquer ici que bien d’autres systèmes de « mesure du temps » manifestent « l’écoulement » du temps par le mouvement, on pourrait citer le cadran solaire ou bien d’autres encore). L’écoulement de ces grains de sable, le déplacement de ces aiguilles … est-ce le temps lui-même ? Une montre nous indique un instant (le présent du temps physique n’a  pas du durée Δt = 0 (on remarquera qu’une durée se note fréquemment en physique Δt pour la différence entre la mesure de deux instants), il change perpétuellement et exclu totalement le passé et le futur) ou pour être plus rigoureux une seconde, une minute, une heure. Ce qu’indiquent les nombres d’une montre numérique, ceux indiqués par les aiguilles d’une montre mécanique, sont adaptés, mis à jour régulièrement et perpétuellement (tant que la montre dispose de l’énergie mécanique, électrique, … nécessaire pour fonctionner). La course suggérée par les aiguilles ou bien la succession des nombres affichés nous laisse à penser que le temps « passe »,  se déplace dans l’espace. Dans l’espace ? Si nous suggérons que le temps se déplace, par rapport à quoi se déplace-t-il ? Et puis, se déplace-il ? Ce mouvement suscité par les aiguilles de la montre ou de l’horloge correspond-t-il au temps ? Un objet est-il également relatif au temps lorsque sa quantité de mouvement dans l’espace est nulle (objet fixe, immobile dans un référentiel* donné) ? Sans grande affirmation, on répond oui, le temps ne s’arrête pas lorsque un objet s’immobilise, question de bon sens (même si parfois, est on le verra par la suite la logique n’est pas toujours… évidente).

 

Pour « appréhender » le temps, nous avons donc choisi de le mesurer (si bien qu’il soit mesurable et mesuré). La recherche constante d’une référence dans la mesure du temps a conduit à la réalisation d’horloges de plus en plus stables mais aussi et de plus en plus précises. Pour cela l’homme a conçu des systèmes toujours plus perfectionnés : la première horloge utilisait la rotation de la terre car son mouvement était jugé constant et prévisible, le temps était alors divisé en jours (si l’on considère que c’est bien le temps qui est divisé …). Le cadran solaire lui a « découpé » la journée en heures, le pendule à encore subdiviser les heures en minutes (les horloges utilisant un pendule étaient plus précises et nécessitaient une intervention manuelle régulière pour ré-actionner le mécanisme). Aujourd’hui nombreux sont les mécanismes (horloges murales, montres …) qui utilisent les vibrations d’un cristal particulier : le quartz. Ce cristal ayant la particularité de vibrer de façon stable (× 32 768 fois par seconde) lorsqu’on lui applique un courant électrique. Ces vibrations permettent d’actionner le mécanisme de la montre avec une régularité extrême. Il existe actuellement un procédé encore plus précis appelé horloge Représentation simplifiée d’une horloge atomiqueatomique (image ci-contre : Représentation simplifiée d’une horloge atomique[1]. Le principe de fonctionnement sera très peu décrit ici car de nombreux documents donnent déjà une explication technique et physique précise du fonctionnement). Le césium (métal rare) absorbe ou émet de l’énergie dont la fréquence correspondante fournit un mouvement répétitif qui peut servir d’horloge. La fréquence de vibration de l’atome de césium est donc la garante du temps actuel. On dit que l’horloge atomique de référence est celle du césium. C’est une horloge de ce type qui est utilisée pour donner le Temps Atomique International (T.A.I.) qui est communiqué par le Bureau international des poids et mesures, c’est l’échelle de temps la plus précise jamais réalisée. Ce temps est établi en effectuant la moyenne des informations provenant de plusieurs centaines d’horloges atomiques réparties en différents endroits du globe.

 

L’unité du Système International (SI) de temps (la seconde), a été établie selon les connaissances scientifiques et les possibilités techniques de chaque époque. La seconde correspondait d’abord à la fraction 1/86400 du jour solaire terrestre moyen. En 1956, pour tenir compte des imperfections de la rotation de la Terre qui ralentit (notamment à cause des marées), elle a été basée sur la révolution de la Terre autour du Soleil. Et depuis la 13e Conférence générale des poids et mesures, la seconde est définie par rapport à une des propriétés de la matière ; cette unité de base du SI a été définie en 1967 : « La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les 2 niveaux hyperfins* de l'état fondamental de l'atome  de césium 133[2] ». La seconde qui constitue l’étalon admis de la « mesure du temps », est ainsi un multiple de la période de l’onde émise par un atome de césium 133 lorsqu’un de ses électrons change de niveau d’énergie. La définition actuelle la seconde est dite ascendante car la seconde est un multiple d'un intervalle plus petit alors que les définitions antérieures étaient descendantes : la seconde était le quotient d’un intervalle de durée plus grand par un nombre défini.

 

Mais on peut également affirmer qu’une montre peut également faire office de chronomètre car elle peut mesurer une durée séparant deux instants (avec plus ou moins de précision). Mais temps et durée désignent-t-ils la même « chose » ? Qu’est ce qu’une durée ? Un nombre munit d’une unité fondée, déterminée, fixée par le bureau international des poids et mesures (la seconde). Comme le dit très bien Etienne Klein, « le temps est seulement ce qui permet qu’il y ait des durées. Il crée la discontinuité dans  l’ensemble des instants.» Les durées sont un « ensemble » d’instants sans durée.  Le temps serait une « machine à produire en permanence de nouveaux instants »[3]. Une montre « montre » son déploiement.



[2] Des expériences en cours sur des transitions atomiques à des fréquences optiques, beaucoup plus élevées que les 9 GHz de la définition actuelle de la seconde, indiquent clairement que les performances obtenues avec l’atome de césium sont ou bien seront dépassées de plusieurs ordres de grandeur (puissance de 10 la plus proche) dans un avenir proche. Il faut s’attendre à ce qu’une nouvelle définition de la seconde voit le jour, dès que le meilleur des différents atomes candidats (calcium, ytterbium, strontium, mercure…) aura été désigné par l’expérience. Mais la définition sera encore liée à une transition atomique.

[3] Etienne Klein, Les tactiques de Chronos. Champs science Flammarion 2004. Prix « La science se livre ». p.21.


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