La mesure du temps avec des phénomènes astronomiques (rotation de la Terre sur elle-même ou autour du soleil, pulsars) repose sur le lien entre l’écoulement du temps et l’évolution linéaire d’un paramètre, en général un angle de rotation. Ce principe est identique à celui du sablier ou de la clepsydre qui associe la mesure d’une durée à la variation – la plus linéaire possible – d’une hauteur de sable ou de liquide visualisant ainsi l’ « écoulement » du temps. Ce type de mesure a pour avantage de fournir directement une référence de temps ou de durée, ce qui a placé ces mesures astronomiques au cœur de la définition de la seconde dans le Système International d’unités jusqu’en 1967, date de la nouvelle définition de la seconde reposant sur un système périodique quantique mise en pratique dans les horloges atomiques. La précision des horloges atomiques permet d’ailleurs de mesurer aujourd’hui très précisément les fluctuations de la vitesse de rotation de la Terre dues à des phénomènes géophysiques, hydrologiques et atmosphériques.

La mesure d’une durée avec un système périodique consiste simplement à compter le nombre de périodes contenues dans cette durée. L’oscillateur joue alors le rôle d’une « règle temporelle », par analogie avec la mesure d’une longueur obtenue en comptant les graduations d’une règle. On peut déduire de cette description simple une règle très importante qui sous-tend encore aujourd’hui à tous les développements d’oscillateurs et d’horloges atomiques dans la course à la précision : La précision de la mesure d’une durée est d’autant plus grande que le nombre de périodes comptés est grand, c’est-à-dire que la « graduation temporelle » est fine, ou encore que la fréquence de l’oscillateur est importante. Cette règle s’est traduite par une augmentation considérable de la fréquence des oscillateurs, depuis les oscillateurs mécaniques vibrant à quelques hertz jusqu’aux oscillateurs optiques (lasers) émettant des signaux à plusieurs centaines de terahertz (1 THz =10¹² Hz) et utilisés dans les horloges optiques actuelles.

Depuis l’invention du pendule par Galilée au début du XVIIe siècle jusqu’aux horloges atomiques actuelles, la mesure du temps avec des phénomènes périodiques a connu un formidable essor, avec une amélioration de la précision de seize ordres de grandeur sur une période de quatre siècles. Ainsi, les meilleures horloges optiques actuelles présentent une incertitude de fréquence de quelques 10^-18, ce qui correspondrait à une erreur de l’ordre d’une seconde sur l’âge de l’univers.

Amélioration de la performance des horloges, du pendule du XVII^e siècle à l’horloge atomique du XXI^e siècle