Pourquoi une seconde s’appelle-t-elle ainsi ?

Si la seconde en tant qu’unité de mesure du temps s’appelle ainsi, c’est parce qu’elle est la seconde division de l’heure : la première est la minute, et la seconde division est donc la… seconde. Elle vient de l’expression latine « minutum secunda », soit la seconde division de l’heure.

La seconde est l’unité de base de temps dans le Système international d’unités, communément compris et historiquement défini comme ¹ / ₈₆₄₀₀ d’un jour – ce facteur découle de la division de la journée en 24 heures, puis en 60 minutes et enfin en 60 secondes chacune. Horloges et montres analogiques ont souvent soixante graduations sur leurs visages, représentant les secondes, et une « seconde main » pour marquer le passage du temps en secondes. Les horloges et montres numériques ont souvent un compteur de secondes à deux chiffres. La seconde fait également partie de plusieurs autres unités de mesure comme les mètres par seconde pour la vitesse, les mètres par seconde par seconde pour l’accélération et les cycles par seconde pour la fréquence.

Bien que la définition historique de l’unité soit basée sur cette division du cycle de rotation de la Terre, la définition formelle dans le Système international d’unités est un chronométreur beaucoup plus stable : elle est définie en prenant la valeur numérique fixe de la fréquence du césium ∆ ν _Cs, la fréquence de transition hyperfine à l’état fondamental non perturbée de l’atome de césium-133 , à 9 192 631 770 lorsqu’elle est exprimée dans l’unité Hz, qui est égale à s ^-1. Parce que la rotation de la Terre varie et ralentit aussi très légèrement, une seconde intercalaire est périodiquement ajoutée au temps d’horloge pour garder les horloges synchronisées avec la rotation de la Terre.

Les multiples de secondes sont généralement comptés en heures et minutes. Les fractions de seconde sont généralement comptées en dixièmes ou centièmes. Dans les travaux scientifiques, de petites fractions de seconde sont comptées en millisecondes, microsecondes, nanosecondes et parfois en unités de seconde plus petites. Une expérience quotidienne avec de petites fractions de seconde est un microprocesseur de 1 gigahertz qui a un temps de cycle de 1 nanoseconde. Caméra vitesses d’obturation sont souvent exprimées en fractions de seconde, par exemple ¹ / ₃₀ secondes ou ¹ / _{1 000} secondes.

Des divisions sexagésimales de la journée à partir d’un calendrier basé sur l’observation astronomique existent depuis le troisième millénaire avant JC, bien qu’elles ne fussent pas des secondes comme nous les connaissons aujourd’hui. Les petites divisions du temps ne pouvaient pas être mesurées à l’époque, de sorte que ces divisions étaient dérivées mathématiquement. Les premiers chronométreurs qui pouvaient compter les secondes avec précision étaient les pendules inventées au 17e siècle. À partir des années 1950, les horloges atomiques sont devenues de meilleurs chronométreurs que la rotation de la Terre, et elles continuent de fixer la norme aujourd’hui.

Il n’y a eu que trois définitions de la seconde : comme une fraction de la journée, comme une fraction d’une année extrapolée, et comme la fréquence micro-ondes d’une horloge atomique au césium, et ils ont réalisé une division sexagésimale de la journée des anciens calendriers astronomiques.

Les civilisations de la période classique et des précédentes ont créé des divisions du calendrier ainsi que des arcs utilisant un système de comptage sexagésimal. À cette époque, la seconde était une subdivision sexagésimale de la journée, pas de l’heure comme la seconde moderne. Les cadrans solaires et les horloges à eau ont été parmi les premiers dispositifs de chronométrage, et les unités de temps ont été mesurées en degrés d’arc. Des unités conceptuelles de temps inférieures à celles réalisables sur les cadrans solaires ont également été utilisées.

Il y a des références au deuxième dans le cadre d’un mois lunaire dans les écrits des philosophes naturels du Moyen Âge, qui étaient des subdivisions mathématiques qui ne pouvaient pas être mesurées mécaniquement.

Les premières horloges mécaniques qui sont apparues à partir du 14e siècle avaient des affichages qui divisaient l’heure en deux, tiers, quarts et parfois même 12 parties, mais jamais par 60. En fait, l’heure n’était pas communément divisée en 60 minutes, car elle n’était pas uniforme dans la durée. Il n’était pas pratique pour les chronométreurs de considérer les minutes jusqu’à ce que les premières horloges mécaniques affichant les minutes apparaissent vers la fin du XVIe siècle. Les horloges mécaniques gardaient l’heure moyenne, contrairement à l’heure apparente affichée par les cadrans solaires. À cette époque, les divisions sexagésimales du temps étaient bien établies en Europe.

Les premières horloges à afficher les secondes sont apparues au cours de la dernière moitié du XVIe siècle. La seconde est devenue précisément mesurable avec le développement des horloges mécaniques. La première pièce d’horlogerie à ressort avec une trotteuse qui marquait les secondes est une horloge non signée représentant Orphée dans la collection Fremersdorf, datée entre 1560 et 1570. Pendant le 3e quart du 16e siècle, Taqi al-Din a construit une horloge avec des marques toutes les 1/5 minutes. En 1579, Jost Bürgi a construit une horloge pour Guillaume de Hesse qui a marqué des secondes. En 1581, Tycho Brahe des horloges redessinées qui n’avaient affiché que quelques minutes à son observatoire, elles affichaient donc également des secondes, même si ces secondes n’étaient pas précises. En 1587, Tycho s’est plaint que ses quatre horloges étaient en désaccord de plus ou moins quatre secondes.

En 1656, le scientifique néerlandais Christiaan Huygens a inventé la première horloge à pendule. Il avait une longueur de pendule d’un peu moins d’un mètre qui lui donnait un swing d’une seconde, et un échappement qui tintait à chaque seconde. Ce fut la première horloge qui pouvait précisément garder le temps en quelques secondes. Dans les années 1730, 80 ans plus tard, les chronomètres maritimes de John Harrison pouvaient garder l’heure exacte à une seconde près en 100 jours.

En 1832, Gauss proposa d’utiliser la seconde comme unité de base du temps dans son système d’unités millimètre-milligramme. La British Association for the Advancement of Science a déclaré en 1862 que tous les hommes de science sont convenus d’utiliser le second temps solaire moyen comme unité de temps. BAAS a officiellement proposé le système CGS en 1874, bien que ce système ait été progressivement remplacé au cours des 70 années suivantes par des unités MKS. Les systèmes CGS et MKS ont utilisé la même seconde que leur unité de temps de base. MKS a été adoptée à l’ échelle internationale au cours des années 1940, définissant la seconde comme ^une / ₈₆₄₀₀ d’un jour solaire moyen.

À la fin des années 40, des horloges oscillantes à quartz avec une fréquence de fonctionnement de ~ 100 kHz ont évolué pour garder l’heure avec une précision meilleure que 1 partie sur 10 ⁸ sur une période de fonctionnement d’une journée. Il est devenu évident qu’un consensus de telles horloges gardait un meilleur temps que la rotation de la Terre. Les métrologues savaient également que l’orbite de la Terre autour du Soleil était beaucoup plus stable que la rotation de la Terre. Cela a conduit à des propositions dès 1950 pour définir la seconde comme une fraction d’un an.

Le mouvement de la Terre a été décrit dans les Tables du Soleil de Newcomb, qui a fourni une formule pour estimer le mouvement du Soleil par rapport à l’époque 1900 basée sur des observations astronomiques faites entre 1750 et 1892. Cela a abouti à l’adoption d’un échelle de temps des éphémérides exprimée en unités de l’année sidérale à cette époque par l’AIU en 1952. Cette échelle de temps extrapolée met les positions observées des corps célestes en accord avec les théories dynamiques newtoniennes de leur mouvement. En 1955, l’année tropicale, considérée comme plus fondamentale que l’année sidérale, a été choisie par l’UAI comme unité de temps. L’année tropicale dans la définition n’a pas été mesurée, mais calculée à partir d’une formule décrivant une année tropicale moyenne qui a diminué linéairement au fil du temps.

En 1956, la seconde a été redéfinie en termes d’année par rapport à cette époque. La seconde a été ainsi définie comme la fraction ¹ / _{31,556,925.9747} de l’année tropicale pour 1900 Janvier 0 au temps de 12 heures. Cette définition a été adoptée dans le cadre du Système international d’unités en 1960.

Mais même les meilleures horloges mécaniques, électriques motorisées et à base de cristal de quartz développent des différences, et pratiquement aucune n’est assez bonne pour réaliser une seconde éphéméride. La vibration naturelle et exacte d’un atome sous tension est bien meilleure pour le chronométrage. La fréquence des vibrations est très spécifique selon le type d’atome et la façon dont il est excité. Depuis 1967, le second a été défini comme étant exactement la durée de 9 192 631 770 périodes de rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfin de l’état fondamental de l’atome de césium 133. Cette longueur d’une seconde a été choisie pour correspondre exactement à la longueur de la seconde éphéméride précédemment définie. Les horloges atomiques utilisent une telle fréquence pour mesurer les secondes en comptant les cycles par seconde à cette fréquence. Les rayonnements de ce type sont l’un des phénomènes les plus stables et reproductibles de la nature. La génération actuelle d’horloges atomiques est précise à une seconde près en quelques centaines de millions d’années.

Les horloges atomiques définissent désormais la durée d’une seconde et la norme de temps pour le monde.