Cronometrul este disciplina care se ocupă cu măsurarea exactă timp .
În a doua jumătate a XX - lea secol , înainte de progresele realizate în acest domeniu, a intrat în relație cu calendarul pentru definirea unui standard de timp .
Cronometria se bazează pe regularitatea anumitor fenomene și pe matematică .
Prin compararea indicațiilor unui ceas cu un sistem de referință cu intervalul de o zi, se obține o „funcționare de zi”, exprimată în secunde. Dacă ceasul avansează, cursul său este pozitiv ; dacă ceasul întârzie, cursul său este negativ . Dacă ceasul este perfect, atunci diferența este exact de douăzeci și patru de ore și se spune că rata sa este zero .
Sistemul de referință este constituit în mod tradițional de o observație astronomică care are ca scop determinarea timpului.
Trebuie să lucrăm la cronometrie pentru toate defecțiunile care împiedică funcționarea precisă a ceasurilor. Acestea includ:
Cronometria este o abordare teoretică a măsurării timpului. Datorită interesului său mare pentru instrumentele de măsurare , este adesea legat de tehnologie .
Observând fenomene terestre periodice , cum ar fi răsăritul și apusul soarelui , omul a dobândit și apoi a încercat să definească conceptul de timp .
În jurul anului 1500 î.Hr. D.Hr. , egiptenii „tăiau” zilele oferindu-și astfel repere precise pe ritmul trecutului. Această abordare va duce la definirea unităților de timp , și anume , ore , minute și secunde . Din aceste idei, omul va încerca să proiecteze instrumente capabile să măsoare timpul .
Umbra aruncată de un băț înfipt în pământ evoluează de dimineață până seara și, când această umbră este cea mai scurtă, este prânz. Spunem apoi că soarele trece la „ meridianul ” său, din latina merie-diē , la prânz . Acest experiment simplu are ca rezultat realizarea unui gnomon care face posibilă numărarea intervalelor de timp și care este foarte aproape de cadranul solar . Această tehnică are defecte: calea și viteza umbrei variază în funcție de anotimpuri , iar noaptea este imposibil să știm ora. Doar pasajele soarelui la amiază pot indica cu exactitate lungimea unei „zile solare adevărate”.
Pentru a depăși aceste defecte, au fost dezvoltate instrumente care pot funcționa zi și noapte, acestea nu mai măsoară fenomene periodice naturale, ci fenomene periodice mecanice. Acesta este cazul ceasurilor de apă , clepsidrelor sau ceasurilor de foc . Acestea ating o precizie de aproximativ o oră pe zi.
Între X - lea lea și al XVI - lea lea , mecanica din lume se străduiesc să proiecteze dispozitive care, folosind greutatea reasamblate sau arcuri armat, oferă posibilitatea de a indica timpul și să dea naștere la primele ceasuri astronomice .
O noțiune fundamentală în cronometrie a fost descoperită de Galileo, care a înțeles în 1638 că există oscilații a căror rată este aproape independentă de amplitudinea lor , este izocronismul . Acest lucru va duce la o teorie a pendulului greu .
Christian Huygens a inventat în a doua jumătate a XVII - lea secol , în colaborare cu Salomon Coster primul ceas „controlat“ de un pendul , și la scurt timp după, el se adaptează pentru a viziona ideea de echilibru - spiralei de Robert Hooke . Dezvoltarea constantă a acestei tehnologii va face posibilă obținerea unor „ceasuri” din ce în ce mai precise cu decalaje de câteva minute, apoi câteva secunde pe zi.
În secolul al XVIII- lea , marinarii știau de mult timp să-și măsoare latitudinea , și anume poziția lor nord-sud. Longitudinea lor , poziția est-vest, era mai dificil de estimat. Confruntat cu numărul de accidente maritime datorate lipsei unei metode suficient de precise pentru a determina poziția navelor, Parlamentul britanic a decis în 1714 să acorde „ prețul longitudinii ” oricărei persoane capabile să elaboreze un mijloc de determinare a longitudinii într-un practic, fiabil și în orice circumstanțe la bordul unei nave pe mare.
Inspirându-se din lucrările lui Gemma Frisius , dulgherul John Harrison susține luarea unui ceas de precizie la bord și câștigă premiul. Acest fapt va marca începutul cronometriei moderne.
Prin urmare, măsurarea precisă a timpului scurs devine o problemă importantă. Pentru a sprijini progresul tehnic legat de ceasornicarie, clasa industrială și comercială a Société des Arts de Genève a început în 1790 să efectueze teste cronometrice, dar acestea s-au dovedit a fi neconcludente. Abia în 1801 s-a comparat un cronometru marin Demôle și Magnin cu „ timpul mediu ” oferit de Observatorul de la Geneva , marele succes al acestei măsurători a condus la modernizarea observatorului și deschiderea „unui serviciu cronometric în 1842.
În 1857, pentru a selecta ceasurile pentru torpedoare , Service hydrographique de la Marine a lansat o competiție bianuală bazată pe reglementările elaborate de Jean-Pierre Lieussou și destinate măsurării cronometrelor . În 1866, Observatorul Neuchâtel a organizat prima sa competiție anuală cronometrică . Este deschis cronometrelor marine și de buzunar pe care le supune testelor de poziționare și temperatură. Acest tip de competiție permite efectuarea unor studii statistice serioase cu privire la regularitatea cronometrelor și aprofundarea cunoștințelor ceasornicarilor cu privire la setarea și proiectarea produselor lor.
Înfășurând manual un cronometru, energia este transmisă unui arc . Primăvara aceasta, în timp ce vă relaxați, provoacă un set de roți dințate care vor mișca ace . Un regulator este responsabil pentru încetinirea relaxării arcului, astfel încât mâinile să indice cât mai exact timpul scurs.
De evacuare ancora liberă introdusă în 1769 de către Thomas Mudge va fi îmbunătățit în 1830 de către George Augustus Leschot , ca stabilitatea termică a soldului este optimizat la arcuit începutul XX - lea secol cu Invar și ELINVAR lui Charles Édouard Guillaume .
Primele ceasuri electrice care au apărut în 1840 cu Alexender Bain au fost fiabile, iar în 1921 , William H. Shortt a prezentat un sistem electromecanic destul de remarcabil.
În vid , pentru a evita orice fricțiune , în interiorul unui ceas principal, oscilează un pendul care sincronizează cu ajutorul electro - magneților pendulul unui ceas fiică. Acest ultim pendul este folosit pentru a anima un mecanism care face posibilă afișarea orelor și oferă în mod regulat un impuls pendulului ceasului principal pentru a preveni oprirea acestuia.
Acest ceas, numit și Synchronome , va fi folosit ca standard de frecvență în multe observatoare , marșul a deviat cu mai puțin de o secundă pe an.
Mișcarea pendulului ceasului principal este setată la frecvența de 1 Hz, care este echivalentul perfect al unei secunde.
În urma dezvoltării primului oscilator în cuarț al lui Walter G. Cady , primul ceas cu cuarț a fost inventat în 1927 de Warren A. Marrison și Joseph W. Horton la Laboratoarele Bell . A fost un punct de cotitură în precizie, într-o asemenea măsură încât Adolf Scheibe și Udo Adelsberger au descoperit în 1936, datorită acestui nou tip de instrument, variații ale vitezei de rotație a Pământului .
Cristalul de cuarț piezoelectric oferă o frecvență de rezonanță și o stabilitate mult mai mare decât balanțele utilizate în ceasornicarea clasică, cu toate acestea, la scară atomică , modificări spontane care denaturează funcționarea acestor ceasuri atunci când îmbătrânesc. O marjă de eroare de o secundă este atinsă la fiecare zece ani și rămâne necesar să le verificați periodic și să le reajustați pe baza observațiilor astronomice .
Cuarțul din aceste ceasuri de laborator vibrează la o frecvență de 100.000 Hz, care este multiplicată pentru a regla un motor sincron utilizat pentru a furniza timpul.
Harold Lyons a construit în 1948 la Biroul Național de Standarde un prototip de „ceas molecular”, un ceas cu amoniac .
Dacă o moleculă de amoniac se aplică o undă electromagnetică cu o anumită frecvență, aceste molecule vor absorbi energia undei electromagnetice.
Un circuit electronic din cuarț oferă o undă electromagnetică care este injectată într-un „ghid de undă” umplut cu gaz amoniacal. Această undă este apoi măsurată la ieșirea din ghid. În mod normal, o mare parte a valului trebuie absorbită de amoniac. Dacă nu este cazul, frecvența undei injectate este reglată automat. De asemenea, acest proces de sclavizare face posibilă controlul și limitarea derivațiilor potențiale de cuarț prin comportamentul moleculelor de amoniac.
Frecvența astfel stabilizată a cuarțului este utilizată pentru a acționa un ceas.
Avantajul acestui tip de ceas este că funcționează cu un standard molecular care este universal și stabil. Din păcate, alegerea moleculei de amoniac va fi doar neînțeleaptă, deoarece frecvența absorbției electromagnetice a amoniacului este prea variabilă. De asemenea, precizia acestui ceas va rămâne mai mică decât cele cu cuarț.
Un dispozitiv care emite un fascicul coerent de microunde a fost dezvăluit în aprilie 1954 de Charles H. Townes , pe atunci cercetător la Universitatea Columbia . Acesta este maserul .
Principiul general al maserului este de a prinde moleculele de amoniac într-o cavitate. Tehnica de pompare optică este apoi aplicată pentru a obține o inversare a populației , ceea ce va conduce la cauzand moleculele prinse să intre în rezonanță. Aceasta are ca rezultat o oscilație cuantificabilă extrem de regulată.
Prin asocierea acestei oscilații cu un cuarț, obținem astfel un ceas molecular foarte puternic a cărui precizie este 10-10 , sau aproximativ o secundă în treizeci de ani.
Principiul sclavizării demonstrat de ceasul de amoniac de la Harold Lyons a fost preluat în 1955 de Louis Essen și Jack VL Parry, care au perfecționat un ceas atomic de cesiu la Laboratorul Național de Fizică prin aplicarea lucrării lui Norman F. Ramsey . Nu se mai bazează pe stabilitatea moleculelor, ci pe cea a atomilor .
Un atom are mai multe stări de energie diferite; este posibil să selectați și să modificați aceste stări.
Prin selectarea atomilor de cesiu 133 cu o anumită stare de energie, apoi bombardându-i cu o undă electromagnetică , starea lor de energie va fi schimbată. Un detector face posibilă numărarea atomilor astfel modificați. Scopul este de a găsi o singură stare de atomi. În practică, starea atomilor va fi modificată numai dacă frecvența undei electromagnetice trimise corespunde unei măsurători foarte precise. Dacă detectorul numără prea mulți atomi care nu se află în starea așteptată, frecvența undei electromagnetice este reglată automat. Astfel, sistemul se ajustează automat la o frecvență foarte regulată, de ordinul 10 10 Hz , care este utilizată pentru a controla un ceas cu cuarț.
Aceste ceasuri au o precizie de 10 −12 , deviază doar cu o secundă în 300 de ani.
În 1967, în timpul celei de-a 13- a Conferințe generale cu privire la greutăți și măsuri , „timpul astronomic” este abolit în favoarea „timpului atomic”.
Confruntat cu această întrebare a definiției timpului, cercetarea nu se mai îndreaptă spre măsurarea precisă a timpului, ci spre metrologia fundamentală a timpului și a frecvențelor.
Această „știință a ceasurilor” a evoluat foarte mult.
Cronometria contemporană este astăzi în mâinile fizicienilor atomisti . Ei sunt cei care, în anii 1980, au dezvoltat tehnicile de răcire și manipulare a atomilor neutri cu laser, care au permis ceasurilor atomice să obțină o precizie care este acum de ordinul a 10 −15 secunde, reprezentând o derivă. De o secundă în zece milioane de ani.
Ceasornicarii actuali, la rândul lor, continuă să aplice suma cunoștințelor acumulate de această disciplină la fabricarea ceasurilor .
Capacitatea de a determina timpul cu o precizie deosebită este utilă pentru multe aplicații.
Cronometria contemporană face posibilă creșterea fiabilității operațiunilor de sincronizare în domeniul telecomunicațiilor , ca în cazul multiplexării prin diviziune de timp . O scară de timp ultra-stabilă face posibilă operații precise de triangulare în spațiu . Își găsește utilitatea în aplicații de transfer de timp , în distanțe laser , interferometrie sau în sisteme de poziționare prin satelit . Sistemul Galileo folosește, de exemplu, ceasuri cu atomi reci.
În acest moment, măsurătorile de timp aprofundate oferă oamenilor de știință puterea de a încerca să verifice concepte precum teoria relativității .
Timpul atomic internaționalTimpul este produs de o rețea de ceasuri atomice comparate între ele printr-un transfer de măsurare a timpului care trebuie să respecte un protocol care să includă în special ponderări și excluderi.
Ora universală coordonatăTimpul universal coordonat, abreviat UTC, definește ora standard din întreaga lume. Acesta este ajustat la timpul atomic internațional (TAI) printr-o conexiune în trepte pentru a lua în considerare ușoara încetinire a rotației Pământului pe sine.
Cele astrofizicienii au descoperit milisecundă pulsari în 1982 . Acestea sunt stele care se învârt de câteva sute de ori pe secundă asupra lor și emit unde radio . Unii au propus ideea de a putea folosi aceste unde în serviciul cronometriei, dar studiul acestor pulsari a arătat că nu sunt stabile, nici pe termen scurt, nici pe termen lung.
Ceasuri opticeÎn zilele noastre, cele mai promițătoare rezultate experimentale sunt obținute de ceasurile ionice și ceasurile de rețea optică care oferă rate de precizie care se apropie de 10-18 secunde.
Ceas nuclearÎn timp ce un ceas atomic clasic folosește tranzițiile electronice ale atomilor, mai multe echipe de cercetare lucrează la tranzițiile nucleare de 229 m nuclee de toriu pentru a realiza un ceas folosind capcane de ioni .