20151215

C’est quoi une seconde ?

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Ô temps suspend ton vol ! Ce vœu a été exaucé en Juin dernier : pendant 1s, le monde entier a retenu son souffle. On a rajouté une seconde intercalaire à l’ensemble des horloges de la planète. Pourquoi ? Parce que l’homme, parce que la Terre, parce que la mer …


On va voir que cette question n’est pas anodine. Car la seconde, en plus d’être une unité fondamentale de mesure, est également au cœur de notre rythme de vie. Et on va découvrir que les deux sont malheureusement incompatibles … Mais avant d’aller trop vite posons nous la question de ce qu’est une unité de mesure.

UNE QUETE DE STABILITE

Il y a quelque chose de troublant dans le principe de la mesure : qu’on mesure des mètres, des secondes, des kilos ou tout ce qu’il vous plaira de mesurer, cela reste une notion relative. C’est-à-dire qu’il faut définir un étalon de mesure, auquel tout se rapportera. Mais jamais vous ne saurez si l’étalon varie (A moins de le comparer à une autre étalon, et reporter le problème sur ce dernier).  Initialement par exemple les mesures de distances étaient étalonnées par une sorte de règle incrustée sur les mairies. Chacun pouvait venir découper un morceau de ficelle ou de tissu à la même taille pour pouvoir refaire les mesures chez soi. Mais que l’étalon perde quelques millimètres au cours d’une décennie, et c’est l’ensemble des mesures qui se trouvait raboté d’autant au fur et à mesure. Sans d’autre moyen de comparaison.

Ce problème, toutes les unités y ont été confrontées, et les scientifiques ont sans cesse cherché à trouver une référence la plus stable possible. Ce sont finalement du côté des lois de la physique et des constantes de la nature que nos unités modernes ont trouvés des étalons réputés stables (c’est en tout cas ce qu’on espère).  Mais cela n’a pas toujours été le cas.

A L’ORIGINE ETAIT LA MOISSON

Comment définir le temps alors? Il est assez naturel de choisir la journée comme unité de temps. En effet elle revient régulièrement, sa durée a l’air relativement stable. On remarque même que les saisons, qui varient, semblent revenir après un certain nombre de ces jours, quelque chose comme 360 jours et quelques qu’on peut définir comme une année. Ces observations, faites par l’homme depuis des millénaires, s’expliquent très bien lorsqu’on connait le mouvement de la Terre : elle tourne sur elle-même, ce qui fait que le Soleil disparait d’un côté puis réapparait de l’autre. On peut définir ainsi une journée. Cependant le Soleil ne revient pas exactement au même endroit dans le ciel, car la Terre se déplace aussi autour du Soleil : la même configuration ne se retrouvera qu’après un tour complet autour du Soleil, c’est-à-dire au bout d’un an.

Alors ça ce sont les mecs qui ont testé le labour avec leur propre unité de mesure du temps...

Alors ça ce sont les mecs qui ont testé le labour avec leur propre unité de mesure du temps…

Toutes les civilisations ont fait cette observation, qui leur permettait de gérer les récoltes. La science a donc débuté par la science du calendrier et de l’observation astronomique. En découvrir la genèse différente dans chaque civilisation est véritablement passionnant, mais ne sera pas traité ici.

Voilà ce qu’étaient nos deux unités fondamentales au début : un tour autour du Soleil fait une année. Un tour de la Terre sur elle-même fait une journée. Mais comment les a-t-on définis en pratique?
Car il était impossible de mesurer précisément la position de la Terre dans l’espace et de savoir quand ces tours se terminaient (d’autant qu’au début on ne savait même pas que c’est la Terre qui tournait sur elle-même). La seule chose que l’on pouvait mesurer, c’était la position du Soleil. Alors voici comment on a procédé : on dit qu’un jour ça commence quand le soleil se lève pile de l’horizon, et que ça dure jusqu’au lendemain quand il ressort à nouveau pile de l’horizon. Manque de bol, comme la Terre se déplace autour du Soleil, (en étant penchée en plus, la bougresse), et ayant une distance au Soleil qui varie un peu (la trajectoire est un cercle un peu aplati: une ellipse), le lendemain le soleil ne sort pas exactement au même endroit sur l’horizon. Pendant une moitié de l’année les journées rapetissent petit à petit, et pendant l’autre moitié elle se rallonge. Paye ta journée variable relou.

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On décide alors de définir une journée moyenne : la moyenne des journées sur l’année. Cela semble très raisonnable. Nous avons alors une définition de journée moyenne (je répète pour être sûr que vous suivez). A partir de là on peut définir une unité plus courte : d’abord on découpe la journée en 24h (pour diverses raisons notamment lié à la facilité de découpage, puisque c’est un multiple de 2,3 et 4), chaque heure en 60 minutes de 60 secondes (là aussi par facilité de découpage, tout ça est hérité des Babyloniens alors allez vous plaindre auprès d’eux si vous trouvez ça bizarre).

Voilà la première définition de la seconde : on peut en mettre 86400 dans une journée, la journée étant définie comme la journée solaire moyenne sur une année.

Comment faire plus beau et plus précis ? Et bien difficilement. D’ailleurs pendant très longtemps tout le monde se satisfait de cette définition, qui est belle, universelle, et simple à comprendre. Et puis qui peut mesurer très précisément une seconde? Pas grand monde, on fait des horloges assez rudimentaires qui battent les 86400 secondes dans la journée, et on les remonte et remet à l’heure très régulièrement. On ne se choque pas de quelques secondes de plus ou de moins par ci par là.

QUAND LA CROISIERE S’AMUSE A REGLER SES MONTRES

Et puis viennent les bateaux. Sur l’eau. On découvre l’Amérique, le chocolat, les pommes de terre et le café. Et on se paume sévère sur les étendues tempétueuses remplies d’avides sirènes pélagiques et pulpeuses. On se noie souvent, on coule encore plus souvent, et on rentre rarement au port. Parce que se repérer sur la mer c’est balèze : comment fait on pour savoir où on est quand on est sur une immense étendue de flotte sans aucune décor à l’horizon (pas une bouche de métro, pas un PMU, et même pas de réseau)?
Ne reste que le ciel, qui hélas n’apporte pas toutes les réponses : vous observez le soleil, ou les étoiles. A un moment donné, l’astre que vous observez est à son point le plus haut dans le ciel (oui faut être patient, en même temps y a que ça à foutre). C’est-à-dire qu’au fur et à mesure de la journée ou de la nuit, il monte depuis l’horizon à l’Ouest, puis il redescend vers l’horizon à l’Est. Le point le plus haut où vous l’observez, cela vous donne une information très importante : cela dépend directement de votre latitude, c’est-à-dire votre hauteur à vous sur la Terre. Le Soleil ou l’étoile polaire n’iront pas à la même hauteur dans le ciel si vous êtes à l’équateur ou au pôle nord. Vous pouvez donc connaitre votre latitude par l’observation (Et si jamais y a des nuages vous êtes paumés et pis c’est marre).

En revanche pour ce qui est de votre longitude, vous êtes perdu. Et oui, parce que la Terre tourne. Ce que vous observez dans le ciel, vous pourriez le voir de n’importe que autre point sur la Terre qui est à la même latitude que vous. La seule différence, c’est que vous ne l’observerez pas au même moment : A l’équateur en Afrique, et à l’équateur en Amérique du sud, on observe le même ciel, mais avec une dizaine d’heures de décalage ! Pour savoir donc si vous êtes en Afrique ou en Amérique, il vous faut une horloge. Et mettre une horloge précise sur un bateau, c’est le bordel.

Hé gros t'as l'heure?

Hé gros t’as l’heure?

Ce sera tout le travail extraordinaire de John Harrisson, qui consacrera quasiment sa vie (31 ans !) à cet épineux problème. Patiemment dans son atelier il construira pendant des années un prototype, qu’il devra ensuite tester à bord d’un bateau. Couillu le mec. Parce que le premier, qu’il appelle H1 et qui a demandé 5 ans, n’est pas terrible.  Il y a un prix qui récompensera le premier à faire un chronomètre plus précis pour mesurer sa longitude que ce que permet des observations de la Lune (astre sympa qui fait le tour de la Terre en 28 jours et sert ainsi de chronomètre de secours). Et le jury n’est pas convaincu. Certes John a calculé la position du bateau sur lequel il se trouvait  à quelques milles près.  Mais le jury trouve que John a eu grave le cul bordé de nouilles pendant son long voyage et que rien ne prouve que ca marche si bien. Finalement il s’agit d’un seul essai et la marge d’erreur est quand même grande (qu’est ce qui nous prouve que vous avez pas dit un chiffre au pif, tout ça, mauvaise foi power).  Faudrait peut-être refaire deux trois voyages de plusieurs années pour convaincre le jury que le chrono est fiable. John recommence et propose le H2 trois ans plus tard (tant qu’à se retaper un voyage autant améliorer le prototype). Mouais, allez on te file 100 balles et tu recommences parce qu’on trouve encore que t’as eu un peu de chance (Le jury qui trolle encore plus que celui de la nouvelle star …). Il continuera ainsi jusqu’au H4, qui impressionnera enfin le bon roi Georges, et lui permettra de remporter le prix. A 80 ans … Le mec à quand même fait faire un bond à l’humanité, juste tout seul comme ça. Avec des petits rouages dans son atelier, en mode je m’en fous je continue jusqu’à ce que ça fonctionne, et pas besoin de m’appeler pour diner. Cook utilisera son modèle H4 pour son deuxième et troisième voyage pour la petite anecdote (une copie, plus exactement).

A partir de ce moment-là autant être précis. Une seconde de marin c’est pas n’importe quoi, c’est une putain de seconde de la putain de rotation de la Terre, donc on déconne pas. Si on triche ça marche plus. Sauf que la seconde qu’on a choisi (en découpant le jour moyen en 86400 secondes) elle ne change pas de l’année, alors que la Terre, on l’a dit, change un peu chaque jour. Merde. On décide alors de faire un truc logique, vu qu’on ne va pas redéfinir des horloges et une nouvelle seconde tous les jours pour les marins c’est débile, on a fait des tables : les marins, chaque jour, savent combien dure la vraie journée par rapport à la journée moyenne annuelle, et on s’y retrouve comme ça. Tout le monde est content.

QUAND LA TERRE DECIDE DE FAIRE CE QU’ELLE VEUT

Le problème c’est qu’on réalise assez rapidement que les tables qu’on a pondu pour les marins ne sont plus vraies. Quel est le fuck, s’exclament le capitaine Haddock, Bougainville, Cousteau et Rackham le Rouge réuni? On réalise alors que la journée varie petit à petit d’une année sur l’autre, pour plein de raisons. La lune, les autres planètes, des mouvements interne de la Terre perturbent son orbite : les journées ne sont pas les mêmes années après années, c’est comme ça. Les marins sont formels : et bien il faut ajuster chaque année la journée moyenne pour que nos tables fonctionnent encore, sinon c’et le naufrage assurée. La dessus, tout le monde est à peu près d’accord ; il faut bien que la journée moyenne que nous utilisons, celle qui découpe jour après jour en fonction de la course du Soleil, soit bien cohérente du temps qu’il faut au Soleil pour parcourir le ciel. On doit donc s’adapter, sinon un jour il sera midi en pleine nuit. Mais redéfinir la seconde chaque année ? what ??

wuuuuut

On en a de plus en plus besoin pour faire des mesures scientifiques par exemple, on ne peut pas comme ça redéfinir en permanence notre unité fondamentale de temps. Comment définir une bonne fois pour toute ce que c’est qu’une seconde, sans souffrir des aléas stupides d’une planète immature ?

Il y a alors quelqu’un qui une idée pas bête qui permet de sauver la seconde universelle : et si on utilisait quelque chose de beaucoup plus fondamental, le mouvement des planètes et la loi de la gravitation ? On sait que l’ensemble des planètes tournent autour du Soleil en suivant un ballet très précis régis par les lois de Newton. Ces lois dépendent du temps, et font un peu comme une horloge universelle céleste qui bat parfaitement. En calculant précisément la position des planètes, on peut en quelque sorte savoir l’heure qu’il est. On pourrait calculer la position des planètes à  deux instants différents, et définir la seconde à partir de leur mouvement. Dans un million d’années ce mouvement sera toujours aussi précis et notre définition de la seconde n’aura alors pas changé.

A partir de là, on s’est dit : pas con.

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On va définir la seconde comme ça, et hop, on est peinard elle devient « universelle » et « stable ». On prend donc de longues mesures, pendant plusieurs années (connaitre précisément la position des planètes est un boulot hyper long d’observations à différents moments de l’année). Et puis au milieu du XIXème siècle, on finit par définir la seconde précisément à partir du balai des étoiles, en se débrouillant évidemment pour qu’elle dure à peu près la durée de la seconde du jour moyen solaire annuel qui était en vigueur à l’époque. C’est-à-dire que Michel a opéré un transfert de définition le moins douloureux possible de la manière suivante : « Désormais les cocos, une seconde c’est le temps qu’il faut au ballet céleste de notre système solaire pour se déplacer de tant de degrés sur leur orbite. J’ai choisi ce chiffre parce que regardez, magie c’est exactement la durée qu’il faut pour que la journée d’aujourd’hui fasse pile 86400 secondes. C’est pratique comme ça on change rien à nos pendules, aujourd’hui en tout cas ».

DEUX TEMPS POUR UN SEUL MOUVEMENT

On se retrouve alors avec la situation suivante :

La seconde, la vraie, l’unique, est définie à partir de la position des planètes, pour décrire un temps qui s’écoule de manière stable suivant les lois de Newton. On calcule avec cela le temps céleste qui avance tranquillement et imperturbablement, en ajoutant seconde après seconde. (En fait on a même fait mieux depuis 1958 on la calcule avec des horloges atomiques encore plus précises). On appelle ce temps le temps TAI.

On a également le temps correspondant à la rotation de la Terre, qui varie un peu tout le temps, c’est à dire qu’une journée est variable. On appelle cela le temps UT1 ; on peut dire que c’est l’horloge interne de la Terre quoi, ça représente de combien elle a tourné sur elle même (là j’ai fait un demi-tour donc pour moi il est midi, là j’ai fait un tour complet etc …). Une horloge pas stable du tout complètement pourri.

Le problème c’est qu’on a UT1, qui est le temps bien pratique pour nous, puisqu’il correspond à ce qu’il se passe sur Terre. On a la seconde propre et nickel définie par des horloges atomiques hyper précises. Et on peut pas utiliser les deux en même temps, à moins d’avoir des jours qui ne comptent pas le même nombre de secondes (vu que UT1 varie tout le temps).

Alors on a choisi cette solution : on définit UTC, qui est le temps officiel partout sur la planète. Il utilise les secondes universelles, comme TAI. On en met 86400 dans toutes les journées. Et on regarde de combien il se décale par rapport à UT1. Dès que ça dépasse d’une seconde, paf on décale.

Je résume : on a des petites secondes calibrées, qu’on égrène tranquillement. On s’est tous mis d’accord pour dire que un an c’est tant de secondes. Donc quand on en a compté le bon nombre on change tous d’année avec nos super calendrier. Mais comme la Terre ralentit notre compte du nombre de secondes est mauvais, mais c’est pratique de le garder comme ça. Alors tout ce qu’on fait, c’est que de temps en temps on dit : « stop les mecs, on est allé trop vite la Terre a pas eu le temps de faire un an complet« , alors on compte une seconde dans le vide et on continue. Comme ça on reste synchronisé avec la Terre.

En gros, même un Rolex elle donne jamais vraiment l’heure exact.

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