Sciences et techniques

Mesurer le temps

Que signifie "mesurer le temps" et comment le fait-on ?

Mesurer le temps, c'est déterminer la durée d'un phénomène comme celle d'un sprinteur qui court le 100 mètres, d'une flèche qui atteint une cible, etc. Pour mesurer ce temps, on utilise des chronomètres, horloges, etc. Souvent, on déclenche le chronomètre au début du phénomène et on regarde ce qu'il indique à la fin.

Mais comment peut-on vérifier pour en être sûr que toutes les secondes d'un chronomètre ont exactement la même durée ?

Or, il n'est pas possible de comparer une durée avec une autre qui ne s'est pas déroulée en même temps. Par exemple, comparer directement la durée d'une seconde sur une montre par rapport à la précédente ; la précédente n'existe plus au moment de la suivante.

On appelle ici chronomètre, tout appareil servant à mesurer le temps, par exemple, un pendule, une horloge atomique, un calendrier, etc. La seconde est une unité de mesure du temps.

En science, le temps représente différents concepts comme l'ordre, la continuité, la durée, la simultanéité, l'écoulement etc. Il n'est pas question ici du ressenti humain qui fait qu'on trouve parfois le temps long ou que c'est passé vite.

La seule chose que l'on puisse vérifier et en être sûr par rapport au temps, c'est la simultanéité de 2 ou plusieurs événements. Par exemple, la position des aiguilles d'une montre et le départ d'une course.

On appelle ici événement, quelque chose qui se produit à un instant donné. Un événement n'a pas de durée.

Pour déterminer la durée d'un phénomène, on ne peut donc que comparer le nombre de secondes, minutes, etc. indiqué par un chronomètre au début et à la fin du phénomène. La durée est alors la différence entre les 2 indications soit, une quantité d'unités de mesure du temps.

Pour déterminer une quantité de mesure comme la durée, la longueur ou le poids, il nous faut une unité de référence et un objet qui indique exactement cette unité.  Par exemple, pour mesurer une longueur, on peut prendre une règle qui indique les centimètres. Pour effectuer la mesure, on compare l'objet de référence, la règle par exemple, avec la chose à mesurer. Pour être sûr que notre objet de référence indique exactement l'unité de référence, on le compare à l'étalon qui établit cette unité. Ainsi, toutes les mesures sont faites par rapport au même objet. Aussi, on peut toujours mesurer une chose directement avec l'étalon.

Pour faire la comparaison, il faut que la chose à mesurer soit vue avec l'objet de référence en même temps, soit simultanément. C'est évident, mais quand on veut mesurer le temps, comment fait-on ?

L'unité de référence pour mesurer les durées est la seconde. L'étalon actuel de la seconde est un multiple de la période de l’onde émise par un atome de césium 133. Donc, pour être sûr que notre chronomètre est précis, on le compare à cette onde. Mais comment peut-on vérifier que la période de cette onde est toujours la même ? Le problème est qu'on ne peut jamais comparer 2 choses qui ne sont pas simultanées. En effet, on ne peut jamais comparer une durée actuelle avec une durée passée, celle-ci n'existant plus.

Le problème avec l'étalon du temps est qu'il change continuellement. On ne peut jamais utiliser la même oscillation parce qu'elles sont toujours passées.

Dans son livre de 1916 sur la théorie de la relativité, Einstein explique la mesure de l'espace et du temps en physique classique. Il écrit : "Nous imaginons deux montres constituées exactement de la même façon, [...]". Dans son livre de 2002 intitulé Science: a History, John Gribbin nous raconte que vers 1584, Galilée remarque que le lourd chandelier de la cathédrale de Pise oscille toujours avec la même fréquence que l'amplitude de l'oscillation soit grande ou petite en la comparant avec ses pulsations cardiaques.

Si on fabrique plusieurs pendules de même constitution soit avec des masses de même poids au bout de fils de même longueur et qu'on les fait osciller en même temps avec des amplitudes différentes, on peut voir  si elles restent synchronisées. Si c'est le cas, on peut croire que chaque période a eu la même durée. Ainsi, pour n'importe quel type de chonomètre, à partir du moment où on peut comparer que les mouvements de plusieurs chronomètres de même constitution restent synchronisés longtemps, on peut croire que les périodes de chacune sont toujours identiques. Pour s'assurer que la période ne varie pas graduellement avec le temps, on fait démarrer des chronomètres à des moments différents et on vérifie qu'ils restent tous toujours synchronisés.

Un mécanisme de chronométrie est donc meilleur qu'un autre lorsque un plus grand nombre d'oscillations reste synchronisé plus longtemps.

Ce problème de comparaison existe aussi avec l'étalon de longueur. Comment s'assure-t-on que sa longueur ne varie avec le temps ?

De toute façon, nos mesures ne sont jamais tout à fait exactes. Elles ne sont que de plus en plus précises.