Origines : comment les horloges ont été inventées

La journée se divise naturellement en deux parties : l'obscurité et la lumière. Les animaux le savent. Les plantes le savent. Les humains, à un moment lointain du passé, décidèrent que ce binaire ne suffisait pas et entreprirent le long travail de diviser le temps en unités plus petites et dénombrables. Ce qui s'ensuivit fut quatre mille ans d'instruments de plus en plus précis conçus pour répondre à une question qui s'avère, lorsqu'on l'examine attentivement, bien plus difficile qu'elle n'en a l'air.

Le mythe confortable veut qu'un génie inventeur ait produit une horloge à un moment historique précis. La réalité est plus intéressante : la mesure du temps s'est construite par morceaux, par différentes cultures à travers différents millénaires, chacune résolvant une faille spécifique dans ce qui avait précédé.

L'Égypte et le problème de l'ombre

Les instruments de mesure du temps les plus anciens documentés sont égyptiens, datant du Nouvel Empire, soit grossièrement du XVe au XIVe siècle av. J.-C. Deux types nous sont parvenus par les archives archéologiques.

L'horloge à ombre était un simple dispositif en forme de T avec un bras horizontal qui projetait une ombre sur une échelle graduée à mesure que le Soleil progressait dans la journée. Le matin, on l'orientait vers l'est. À midi, on le retournait vers l'ouest. Les heures qu'elle produisait n'étaient pas d'égale longueur — elles s'élargissaient et se rétrécissaient avec les saisons, divisant la lumière du jour en fractions plutôt qu'en suivant la position du Soleil avec précision mathématique — mais elles étaient reproductibles et, surtout, ne nécessitaient rien d'autre que du soleil pour fonctionner.

La clepsydre égyptienne, que les Grecs appelèrent clepsydra, utilisait un récipient en pierre ou en céramique gradué avec un petit trou calibré à sa base. L'eau s'écoulait à un débit approximativement constant, et le niveau intérieur indiquait quelle fraction de la période mesurée s'était écoulée. L'exemple le plus ancien subsistant, trouvé au temple de Karnak et conservé aujourd'hui au musée du Caire, date du règne d'Aménophis III au XIVe siècle av. J.-C. Sa surface intérieure porte douze colonnes graduées correspondant aux douze mois du calendrier égyptien — les concepteurs avaient déjà compris que le débit d'écoulement varie légèrement avec la température et avaient intégré la correction.

Les Égyptiens utilisaient aussi le merkhet, un instrument de visée employé par paires pour marquer le passage du temps de nuit en suivant les positions d'étoiles connues à travers le méridien. Le chronométrage par transit stellaire est, en principe, plus précis que le chronométrage par ombre, mais il nécessite un ciel dégagé, un horizon dégagé et un prêtre disposé à rester dehors à 3 heures du matin à vérifier les alignements. C'était un instrument de spécialiste pour un public de spécialistes.

Le problème des clepsydres

Les horloges à eau sont théoriquement simples et pratiquement difficiles. L'eau gèle. Elle s'évapore. Son débit change avec la température et avec la hauteur de l'eau au-dessus du déversoir, qui diminue continuellement à mesure que le récipient se vide. Un récipient partiellement vidé s'écoule plus lentement qu'un récipient plein, ce qui signifie que toute clepsydre dépourvue de mécanisme correcteur dérive systématiquement au cours de la journée.

Les constructeurs de clepsydres élaborées en Chine et dans le monde islamique médiéval ont abordé ces problèmes avec une ingéniosité considérable — chambres à niveau constant, mécanismes à flotteur, engrenages astronomiques. La clepsydre construite par al-Jazari au début du XIIIe siècle incorporait des personnages automatisés et des indicateurs de phases de lune. L'horloge de la dynastie Song construite sous Su Song vers 1088 culminait à près de dix mètres de hauteur et entraînait une sphère armillaire par une chaîne cinématique.

Mais l'eau gelait en hiver, les mécanismes nécessitaient un entretien constant, et ces dispositifs élaborés ne pouvaient pas répondre à la question qui allait finalement rendre toutes les clepsydres obsolètes : peut-on entendre l'heure depuis l'autre côté d'une ville ?

Les cloches changèrent tout. Dès lors qu'une horloge pouvait sonner, la mesure du temps devint quelque chose de partagé par tous à portée d'oreille, plutôt que quelque chose de réservé à la seule personne observant le récipient.

L'échappement

Les premières horloges mécaniques apparurent en Europe à un moment indéterminé de la fin du XIIIe siècle. La première preuve documentaire claire est une référence à une horloge mécanique au prieuré de Dunstable en Angleterre en 1283, suivie d'exemples documentés en France, en Italie et dans les Pays-Bas tout au long des années 1290 et au début des années 1300. Les monastères sont le berceau probable : les moines avaient besoin de marquer les heures canoniques avec précision, avaient l'incitation institutionnelle à investir dans la mesure du temps et disposaient des ressources en travail du métal pour expérimenter de nouveaux mécanismes.

L'invention clé fut l'échappement à verge et à foliot. Une verge est une broche verticale avec deux petites saillies inclinées, appelées palettes, qui s'engagent alternativement avec les dents d'une roue couronnée horizontale. Fixé au sommet de la verge se trouve le foliot, une barre horizontale avec de petits poids ajustables à chaque extrémité. Tandis que la roue couronnée entraînée par un poids tente de tourner, les palettes saisissent et libèrent chaque dent en alternance, ralentissant la rotation en une séquence contrôlée de tic-tac. Le moment d'inertie du foliot détermine la cadence ; déplacer ses poids vers l'intérieur accélère l'horloge, les écarter la ralentit.

Le mécanisme était grossier selon les standards ultérieurs. Les meilleures horloges de tour des XIIIe et XIVe siècles dérivaient de dix à quinze minutes par jour, ce qui les rendait inadaptées aux applications exigeant de la précision. Ce qu'elles offraient, c'était la régularité — le même nombre de battements par heure, chaque heure, chaque jour, par tous les temps — et l'audibilité. Les clochers d'église à travers l'Europe s'équipèrent de mécanismes de sonnerie mécanique au cours du XIVe siècle, et la sonnerie régulière des heures restrucura la vie urbaine autour d'un rythme commun et public. Les marchés ouvraient à la cloche. Les procédures judiciaires avaient des délais chronométrés. Les ouvriers négociaient des heures plutôt que des tâches.

Les ressorts et la portabilité

Au début du XVe siècle, des artisans dans les villes allemandes, notamment à Nuremberg, avaient remplacé l'entraînement par contrepoids par des ressorts en métal enroulés. Les ressorts permettaient de construire des horloges suffisamment petites pour être portées. Les premières montres portables — parfois appelées montres à tambour ou œufs de Nuremberg, bien que la forme en œuf apparaisse davantage dans la mythologie ultérieure que dans les premiers exemples — étaient des boîtiers ronds ou cylindriques contenant des mécanismes à ressort assez précis pour indiquer l'heure approximative et assez coûteux pour signaler ostensiblement la richesse.

Le problème technique avec les mécanismes à ressort était l'incohérence. Un ressort enroulé délivre davantage de force quand il est pleinement remonté et moins au fur et à mesure qu'il se détend, rendant la stabilité de la cadence plus mauvaise qu'un entraînement par contrepoids sauf correction. La fusée — une poulie conique qui faisait varier le levier mécanique à mesure que le ressort se déroulait — fut développée vers le milieu du XVe siècle et égalisa le couple transmis à l'échappement sur toute la plage de détente du ressort.

Les horloges à ressort rendirent possible, pour la première fois, de porter le temps dans une poche. Vers le milieu du XVIe siècle, les horlogers d'Augsbourg, de Nuremberg et de Genève produisaient des mécanismes miniaturisés. La montre comme objet quotidien pour les personnes aisées émergea de cette tradition, bien que la précision restât limitée par l'instabilité inhérente de l'échappement à verge.

Huygens et le pendule

La mesure du temps mécanique resta approximative jusqu'en 1656, lorsque le physicien et astronome néerlandais Christiaan Huygens appliqua une intuition que Galileo Galilei avait décrite des décennies plus tôt sans en tirer pleinement parti : des pendules de longueur fixe oscillent en des périodes régulières, et cette période dépend de la longueur du pendule plutôt que de l'amplitude de l'oscillation (dans certaines limites).

Huygens construisit une horloge à pendule exploitant cette propriété et démontra une précision jusqu'alors impossible pour un instrument mécanique. L'erreur quotidienne passa des dix à quinze minutes typiques des meilleures horloges à verge à moins d'une minute, puis à quelques secondes par jour avec des perfectionnements. Huygens breveta son mécanisme en 1657 et celui-ci se répandit rapidement. Les horloges de parquet — les horloges de grand-père de la culture populaire ultérieure — apparurent tout au long de la fin du XVIIe et du XVIIIe siècle comme instruments de précision abordables pour les foyers aisés.

L'échappement à ancre, développé vers 1670 et attribué à la fois à Robert Hooke et à William Clement selon les récits, remplaça le mécanisme à verge et permit aux horloges à pendule de fonctionner dans des boîtiers plus compacts avec un arc d'oscillation plus petit, réduisant les frottements et améliorant encore la précision.

Le Prix de la Longitude et la solution de Harrison

Au début du XVIIIe siècle, un problème subsistait que les horloges à pendule terrestres ne pouvaient pas résoudre : trouver la longitude en mer. Un navire pouvait déterminer sa latitude en mesurant l'angle du Soleil au méridien au-dessus de l'horizon. Trouver la longitude nécessitait de savoir, simultanément, quelle heure il était à un méridien de référence fixe — Greenwich, par convention britannique — tout en observant le méridien local. La différence de temps, convertie à raison de quinze degrés par heure, donnait la longitude.

Cela exigeait une horloge gardant l'heure précise sur un navire en mouvement, à travers les variations de température des différentes latitudes océaniques, par les mouvements et l'humidité de mois passés en mer. Les horloges à pendule défaillaient immédiatement en mer ; le mouvement de roulis perturbait totalement le pendule.

Le gouvernement britannique établit le Prix de la Longitude en 1714, offrant jusqu'à 20 000 livres pour une solution pratique. John Harrison, un charpentier anglais et horloger en grande partie autodidacte, passa la majeure partie du XVIIIe siècle à répondre au problème à travers une série de garde-temps marins. Son quatrième modèle, achevé en 1759, utilisait un mécanisme de grande montre avec un balancier bimétallique à compensation thermique et un échappement à levier très affiné. Testé lors d'un voyage à la Barbade en 1761, il garda le temps à cinq secondes près sur 81 jours. La longitude qu'il indiquait à l'arrivée correspondait à la position connue de la Barbade à moins de seize kilomètres.

Le chronomètre marin dont Harrison prouva la possibilité devint l'instrument de navigation standard du siècle suivant, et toutes les cartes océaniques tracées après les années 1780 reposaient sur la précision d'une horloge assez petite pour tenir dans une boîte.

Après le pendule

Le XXe siècle ajouta deux couches supplémentaires. Les oscillateurs à quartz, développés commercialement dans les années 1920, remplacèrent les échappements mécaniques par la vibration piézoélectrique d'un cristal de quartz, réduisant l'erreur quotidienne à quelques secondes par an. Les horloges atomiques, démontrées pour la première fois au milieu des années 1950, mesurent la mesure du temps par rapport à la fréquence de résonance des atomes de césium 133 et atteignent des précisions qui ne peuvent s'exprimer en termes d'expérience humaine — les meilleures perdent moins d'une seconde en plusieurs centaines de millions d'années. Le GPS, les protocoles de synchronisation temporelle par internet et les systèmes mondiaux de compensation financière en dépendent tous.

Le prêtre égyptien laissant l'eau s'écouler à travers un trou dans un bol de pierre, et l'horloge atomique maintenant l'étalon de temps mondial, font la même chose. La précision entre les deux représente toute l'étendue du développement technique humain consigné. La question à laquelle ils répondent n'a pas changé depuis Aménophis III.