Ce dont chaque horloge a besoin.

Une horloge ne mesure pas le temps comme une règle mesure la longueur. Il n'y a rien à comparer à « une seconde ». En réalité, une horloge compte quelque chose qui se répète à un rythme régulier, puis t'affiche le résultat.

Ce « quelque chose qui se répète » peut être un poids oscillant, une roue en rotation, un cristal vibrant ou un atome vibrant. Quel qu'il soit, toute horloge, ancienne ou moderne, est construite à partir des quatre mêmes éléments :

• Un oscillateur : la chose qui se répète. Elle effectue le même mouvement encore et encore, et c'est elle qui fixe le rythme.
• Un compteur : quelque chose qui additionne les répétitions (des engrenages dentés ou des circuits électroniques).
• Une source de puissance : un poids qui tombe, un ressort enroulé ou une pile, car tout oscillateur réel perd un peu d'énergie à chaque oscillation et s'arrêterait sans apport d'énergie.
• Un affichage : des aiguilles sur un cadran ou des chiffres sur un écran, qui transforme le compte en heures, minutes et secondes.

La durée d'une répétition est la période, notée T, et mesurée en secondes. Le nombre de répétitions par seconde est la fréquence, notée f, et mesurée en hertz (Hz). Ce sont deux façons de dire la même chose :

f = 1 / T et T = 1 / f

Une oscillation qui dure 0,5 s a une fréquence de 1 / 0,5 = 2 Hz : deux oscillations par seconde. Une oscillation lente de 2 s a une fréquence de 0,5 Hz. Souviens-toi de ces deux nombres : un pendule dont la période est de 2 s est le célèbre « pendule à secondes », car il fait tic une fois par seconde (une fois à l'aller, une fois au retour).

L'histoire des horloges est surtout celle de l'amélioration des oscillateurs. Voici la famille que tu découvriras dans ce cours :

Une fréquence plus élevée ne suffit pas à rendre une horloge meilleure, mais elle permet de compter des fractions de temps plus fines, et les meilleurs oscillateurs sont aussi très doués pour garder leur rythme.

Un mot pour désigner cette dernière qualité : Q, le facteur de qualité. Un oscillateur à Q élevé continue à sonner longtemps avant de s’éteindre, comme une bonne cloche comparée à un bruit sourd. Il perd très peu d’énergie à chaque oscillation, donc les petites impulsions et les petites perturbations modifient très peu sa cadence. Passer d’un pendule à un balancier, puis au quartz, puis aux atomes, signifie surtout passer à des Q de plus en plus élevés. Tu ne calculeras pas encore Q ; retiens simplement l’image d’une cloche qui sonne encore et encore.

Un oscillateur est aussi ce qui distingue une horloge d’un cadran solaire. Un cadran solaire indique l’heure grâce au mouvement du Soleil : il ne fonctionne donc que le jour et par ciel dégagé, et il indique l’heure solaire, qui diffère un peu de « l’heure de l’horloge » (l’atelier Soleil, Terre et Lune explique pourquoi). Un pendule ou un cristal continue de fonctionner la nuit, dans une grotte, sur un bateau ou sur la Lune. Cette indépendance vis-à-vis de la météo et du ciel a rendu les horloges mécaniques très utiles.