horloges et montres

horloges et montres, instruments destinés à indiquer l'heure et à mesurer le temps, fondés sur la division conventionnelle du jour en 24 heures, de l'heure en 60 minutes, de la minute en 60 secondes, et des secondes en fractions plus petites telles que les dixièmes, centièmes ou millièmes de seconde. Ces appareils jouent un rôle essentiel dans l'organisation de la vie quotidienne, des activités scientifiques, des transports, des communications et des systèmes industriels modernes.

L'horloge, généralement de plus grande taille que la montre, est habituellement installée à un emplacement fixe, comme un bâtiment, une tour ou une pièce intérieure, tandis que la montre est conçue pour être transportée et portée sur soi, notamment au poignet ou dans une poche. Malgré leurs différences de dimensions et d'usage, ces deux types d'appareils reposent sur des principes similaires : ils nécessitent une source d'énergie pour entraîner leur mécanisme ainsi qu'un système régulateur chargé de contrôler avec précision l'écoulement du temps. Ils disposent également d'un dispositif d'affichage ou de signalisation permettant de communiquer l'heure, sous forme d'aiguilles, de cadrans, de chiffres ou de signaux sonores.

Historique

Depuis les origines de la civilisation, l'être humain a cherché à mesurer le temps en observant les mouvements réguliers de la Terre par rapport au Soleil et aux étoiles, ou encore en utilisant des phénomènes naturels de durée relativement constante. Les plus anciens instruments de mesure du temps connus remontent à environ 3 500 ans. Parmi eux figurent un cadran solaire en ardoise datant d'environ 1450 av. J.-C. et une clepsydre en albâtre datant d'environ 1400 av. J.-C., tous deux découverts en Égypte ancienne. Le cadran solaire fonctionne grâce à la lumière du Soleil : l'ombre projetée par une tige sur une surface graduée permet de déterminer l'heure du jour en fonction de la position apparente du Soleil et de la saison. Vers le III^e siècle av. J.-C., l'astronome chaldéen Bérose décrivit un cadran solaire hémisphérique plus élaboré.

La clepsydre, quant à elle, mesure le temps à partir de l'écoulement régulier d'une quantité d'eau. Les premières clepsydres étaient constituées d'un simple récipient percé d'un trou à sa base, par lequel l'eau s'écoulait lentement. Les cadrans solaires et les clepsydres furent largement utilisés entre le IVe siècle et le Ier siècle av. J.-C. dans les régions méditerranéennes, et depuis bien plus longtemps encore dans certaines civilisations orientales. En Chine, on mesurait également le temps en brûlant des cordes nouées ou des bâtons d'encens gradués : la durée nécessaire à la combustion entre deux repères servait d'unité de temps. D'autres peuples utilisaient des bougies marquées de traits réguliers. Le sablier, apparu plus tardivement, probablement vers le XIIe siècle, évaluait quant à lui le temps par l'écoulement du sable d'un récipient à un autre.

Clepsydre

La clepsydre connut plusieurs perfectionnements importants. Vers 270 avant J.-C., le physicien grec Ctésibios développa un système utilisant deux récipients : l'eau s'écoulait depuis un vase à niveau constant, garantissant ainsi un débit régulier, puis tombait dans un second récipient gradué permettant de lire les heures. Ctésibios améliora ensuite son invention en y ajoutant un flotteur relié à un système de rouages. Ce mécanisme pouvait actionner automatiquement un signal sonore, comme une cloche, à intervalles réguliers. Au XIII^e siècle, dans certains monastères européens, des systèmes hydrauliques plus complexes furent utilisés : des récipients se remplissaient progressivement d'eau jusqu'à atteindre un poids déterminé, déclenchant alors la chute de billes métalliques produisant un bruit destiné à avertir les religieux. Ces dispositifs peuvent être considérés comme les ancêtres directs des premières horloges mécaniques.

Horloges mécaniques

Les origines exactes de l'horloge mécanique demeurent incertaines, mais les premiers modèles connus étaient constitués d'une structure métallique renfermant un mécanisme relativement simple. Ce mécanisme était généralement actionné par un poids suspendu et régulé par un balancier rudimentaire. La roue principale comportait des trous dans lesquels on insérait une tige ; lorsque celle-ci rencontrait un obstacle fixe, elle déclenchait une sonnerie indiquant le passage des heures.

Au XIV^e siècle apparurent les premières véritables horloges à poids capables de fonctionner continuellement pendant vingt-quatre heures tout en scandant les heures. Ces appareils possédaient déjà un système de régulation du mouvement destiné à ralentir et contrôler la descente du poids moteur. Le mot « horloge » fut alors employé dans son sens moderne pour désigner ces grands instruments mécaniques installés dans les tours des villes et des édifices religieux à la fin du Moyen Âge. Plus tard, l'ajout de cadrans visibles depuis l'extérieur et d'aiguilles entraînées par les rouages permit à la population de lire directement l'heure.

Les premières horloges mécaniques étaient toutefois très volumineuses et peu précises. Par exemple, l'horloge réalisée au XIV^e siècle par Henri de Vic pour le Palais royal de Paris était actionnée par un poids d'environ 227 kilogrammes descendant sur près de dix mètres. Le système régulateur demeurait encore rudimentaire, ce qui limitait fortement la précision de l'appareil.

Un autre exemple remarquable est l'horloge astronomique construite entre 1348 et 1364 par Giovanni Dondi. Cette machine complexe comportait notamment un calendrier perpétuel et des indications astronomiques relativement précises pour son époque. À la fin du XV^e siècle, le serrurier allemand Peter Henlein, originaire de Nuremberg, remplaça le mécanisme à poids par un ressort moteur. Cette innovation permit de miniaturiser les mécanismes et de fabriquer les premières montres portatives, connues sous le nom d'«oeufs de Nuremberg» à la suite d'une erreur de traduction devenue célèbre.

Balancier et échappement

À la fin du XVI^e siècle, le savant italien Galilée décrivit le phénomène d'isochronisme du pendule, propriété selon laquelle les oscillations d'un pendule conservent approximativement la même durée, même lorsque leur amplitude varie légèrement. Cette découverte joua un rôle fondamental dans l'amélioration de la précision des instruments de mesure du temps. En 1657, le physicien néerlandais Christiaan Huygens démontra qu'une horloge pouvait être régulée efficacement grâce à un balancier oscillant, ouvrant ainsi la voie à des mécanismes beaucoup plus précis que les anciens systèmes médiévaux. Dix ans plus tard, le mathématicien et physicien anglais Robert Hooke inventa un échappement mécanique, dispositif chargé de transmettre de manière régulière l'énergie nécessaire au maintien des oscillations du balancier. Grâce à cette invention, il devint possible d'utiliser des balanciers ayant une faible amplitude d'oscillation, améliorant considérablement la stabilité des horloges.

Ce système fut ensuite perfectionné par l'horloger britannique George Graham, qui introduisit en 1724 l'échappement à cylindre, permettant un fonctionnement plus fluide et plus précis des montres. Peu après, l'horloger anglais John Harrison mit au point un mécanisme destiné à compenser les variations de longueur du balancier causées par les changements de température, problème qui affectait fortement la précision des horloges. Au début du XVIII^e siècle apparurent également des coussinets en rubis synthétiques ou naturels, destinés à réduire les frottements entre les pièces mobiles et à augmenter la durée de vie des rouages. En 1755, le Britannique Thomas Mudge inventa l'échappement à levier, système extrêmement efficace qui demeure encore aujourd'hui l'un des plus utilisés dans les montres mécaniques modernes.

Montres mécaniques

Les premières montres véritablement portatives purent être fabriquées lorsque les artisans horlogers commencèrent à utiliser des ressorts en spirale comme source d'énergie. Cette innovation, associée à la miniaturisation progressive des composants mécaniques, permit de réduire considérablement la taille des mécanismes. Les ressorts moteurs étaient déjà employés en Italie vers les années 1450, mais ils furent perfectionnés au fil des siècles. En 1525, à Prague, l'artisan Jacob Zech inventa la fusée, une poulie conique destinée à compenser la diminution progressive de la force exercée par le ressort moteur au fur et à mesure de son déroulement. Plus tard, le ressort spiral mis au point vers 1660 par Robert Hooke pour contrôler le balancier, ainsi que l'échappement à levier inventé par Thomas Mudge, améliorèrent encore la précision des montres.

Au XVII^e siècle, les aiguilles des minutes et des secondes commencèrent à se généraliser, de même que les verres protégeant les cadrans. Avant l'ère de la production industrielle, la fabrication d'horloges et de montres précises nécessitait un travail artisanal extrêmement minutieux réalisé par des ouvriers hautement qualifiés. Certaines organisations professionnelles, comme la Corporation des horlogers de Paris fondée en 1544, encadraient strictement l'apprentissage et la pratique de l'horlogerie. Une institution comparable, la Clockmakers' Company, fut fondée à Londres en 1630 et existe encore aujourd'hui. Les Pays-Bas, l'Allemagne et surtout la Suisse comptèrent eux aussi de nombreux maîtres horlogers réputés pour la qualité esthétique et mécanique de leurs créations. Les premières montres possédaient une forme sphérique ou cylindrique et étaient suspendues à la ceinture ou transportées dans une poche. Ce n'est qu'avec une miniaturisation encore plus poussée que les montres-bracelets purent apparaître et se populariser.

Horloges décoratives

L'horloge a longtemps été considérée non seulement comme un instrument utilitaire, mais aussi comme un objet décoratif et artistique. En Europe, à la fin du Moyen Âge, de nombreux mécanismes d'horloge installés dans les tours servaient à animer des statues monumentales représentant des saints, des personnages historiques ou des figures allégoriques. Durant la période baroque, les horloges furent souvent richement ornées de sculptures, de dorures et de figurines mécaniques. Les célèbres pendules à coucou, fabriquées dès 1730 dans la région de la Forêt-Noire en Allemagne, se distinguaient par leurs oiseaux sculptés qui apparaissaient pour annoncer les heures en imitant le cri du coucou. Ces horloges connaissent encore aujourd'hui un grand succès décoratif et touristique.

Certaines horloges anglaises anciennes adoptaient des formes originales rappelant des cages à oiseaux ou des réverbères. L'horloge de parquet, haute de 1,50 à 1,80 mètre, devint également emblématique des intérieurs européens. Ces grandes horloges furent conçues avant l'apparition des machines-outils capables d'usiner précisément les rouages métalliques. Dès le XVIIIe siècle, la Suisse s'imposa progressivement comme le principal centre mondial de l'horlogerie, notamment dans les villages des montagnes du Jura. À l'origine, cette activité était essentiellement familiale : les artisans fabriquaient les différentes pièces dans leurs maisons avant qu'un maître horloger ne procède à l'assemblage et à la commercialisation. À partir des années 1850, cette organisation donna naissance à de petites manufactures qui constituèrent le socle d'une industrie horlogère de réputation internationale.

Le savoir-faire apporté par les horlogers européens installés en Amérique contribua également au développement de l'industrie horlogère américaine. Après la révolution américaine, les États-Unis commencèrent à produire en grande série des horloges utilisant des pièces interchangeables. En raison de la rareté des métaux, certains fabricants construisirent même des mécanismes en bois sec. Grâce aux innovations techniques et aux économies permises par la production industrielle, les États-Unis devinrent rapidement l'un des plus grands producteurs mondiaux d'horloges. Avec l'augmentation de la production et de la concurrence, les prix diminuèrent progressivement, permettant à un nombre croissant de familles d'acquérir des horloges domestiques.

Montres de précision

Fabriquées avec un soin extrême, les montres de précision remplirent progressivement des fonctions scientifiques et techniques essentielles. Elles permirent notamment aux navigateurs de déterminer leur longitude en mer avec beaucoup plus de précision, ce qui représentait un enjeu majeur pour la navigation maritime. Elles furent également utilisées par les astronomes, les ingénieurs et les bijoutiers pour étalonner leurs instruments de mesure. La première montre marine réellement efficace fut construite en 1761 par l'horloger anglais John Harrison. Cet instrument portatif était monté sur des cardans, ce qui lui permettait de rester horizontal malgré les mouvements du navire et de préserver ainsi la précision de son mécanisme délicat.

Industrialisation de la production

Dans les années 1850, les horlogers américains Aaron Dennison et Edward Howard mirent au point des machines capables de produire automatiquement certaines pièces d'horlogerie. Les nouveaux modèles conçus pour cette fabrication industrielle comportaient un nombre plus réduit de composants et étaient plus faciles à assembler. À partir de 1875, les montres à remontage par clé furent progressivement remplacées par des montres à remontage par tige. Ce système, encore largement utilisé aujourd'hui, permet non seulement de remonter le mécanisme grâce à une couronne rotative, mais aussi de régler l'heure et, dans de nombreux modèles modernes, d'ajuster le disque indiquant la date.

Montres et horloges du XX^e siècle

Dispositifs électriques

La montre électrique fut inventée aux États-Unis au début du XX^e siècle par l'ingénieur américain Henry Ellis Warren. Celui-ci convainquit les producteurs d'électricité de contrôler avec une très grande précision la fréquence des cycles du courant alternatif afin de permettre l'utilisation de moteurs synchrones dans les horloges électriques. Grâce à cette innovation, les horloges purent fonctionner avec une régularité bien supérieure à celle des mécanismes purement mécaniques. En 1921, l'ingénieur britannique William Hamilton Shortt inventa le balancier libre qui porte son nom. Ce système, utilisant un pendule maître isolé des perturbations extérieures, permit la construction des horloges les plus précises de leur époque et servit de référence scientifique pendant plusieurs décennies.

En 1929 apparut aux États-Unis l'horloge à quartz, qui marqua une avancée considérable dans la mesure du temps. Son fonctionnement reposait sur les oscillations extrêmement régulières d'un cristal de quartz soumis à un courant électrique. Cette technologie offrait une précision nettement supérieure à celle des horloges mécaniques traditionnelles. Quelques années plus tard, en 1947, fut mise au point l'horloge atomique à l'ammoniac, capable d'atteindre une précision exceptionnelle, avec une marge d'erreur d'environ une seconde tous les trente ans. Cette invention ouvrit la voie aux systèmes modernes de mesure du temps utilisés dans les télécommunications, la navigation et la recherche scientifique.

Les montres-bracelets électriques furent commercialisées à partir de 1957. Deux ans plus tard, en 1959, apparut une montre électronique innovante dans laquelle l'échappement mécanique classique était remplacé par un petit diapason vibrant à fréquence constante. Ce diapason était entretenu par un circuit électronique alimenté par une pile et utilisant des transistors, ce qui améliorait la précision et réduisait les besoins de remontage manuel.

Autres types d'appareils

Parmi les progrès techniques marquants de la seconde moitié du XXe siècle figurent les montres à affichage numérique utilisant des diodes électroluminescentes (DEL) ainsi que les montres à cristaux liquides. Développées au cours des années 1960, les montres à DEL exploitaient les propriétés lumineuses de certains matériaux semi-conducteurs pour afficher l'heure sous forme de chiffres lumineux. Ces dispositifs représentaient une rupture importante avec les cadrans traditionnels à aiguilles et contribuèrent à populariser les montres électroniques modernes.

Dans les années 1970 apparurent les montres à affichage à cristaux liquides, plus économes en énergie. Leur fonctionnement repose sur les propriétés optiques particulières des cristaux liquides, matériaux possédant à la fois certaines caractéristiques des liquides et des cristaux solides. L'affichage consiste à faire apparaître des chiffres sombres sur un fond clair grâce à des modifications électriques contrôlant l'orientation des cristaux. Dans les deux types de montres électroniques, les oscillations très régulières d'un cristal de quartz servent de référence temporelle. La fréquence électrique produite est ensuite divisée électroniquement afin de calculer les secondes, les minutes et les heures avec une grande précision.

Les progrès scientifiques et techniques, notamment dans le domaine de la métallurgie et des matériaux synthétiques, ont permis d'améliorer considérablement la qualité des montres et des horloges. Les ressorts des montres mécaniques modernes sont fabriqués dans des alliages spéciaux très résistants à l'oxydation et à la fatigue mécanique. Les coussinets en pierres précieuses naturelles ont souvent été remplacés par des matériaux synthétiques offrant des performances comparables à moindre coût. Les boîtiers ont également été perfectionnés afin d'empêcher l'infiltration de poussière ou d'humidité, même lors d'immersions profondes dans l'eau. Par ailleurs, les chercheurs de l'industrie horlogère étudient continuellement de nouvelles sources d'énergie, telles que l'énergie solaire, l'énergie cinétique produite par les mouvements du corps ou encore la chaleur corporelle.

Mécanismes

Fondamentalement, une montre ou une horloge est constituée d'un générateur d'oscillations isochrones, c'est-à-dire produisant des oscillations à fréquence constante, ainsi que d'un système chargé de compter automatiquement ces oscillations. Ce système est relié à un ensemble de rouages démultiplicateurs permettant d'entraîner des dispositifs indicateurs ayant un mouvement rotatif périodique. Selon la fréquence des oscillations, le mécanisme peut être conçu de manière à faire correspondre précisément chaque rotation des aiguilles ou des roues à une subdivision conventionnelle du temps, comme la seconde, la minute ou l'heure. Plus la fréquence des oscillations est élevée et stable, plus la mesure du temps devient précise.

Montres et horloges mécaniques

Dans une montre ou une horloge mécanique, l'énergie nécessaire au fonctionnement peut provenir d'une masse suspendue, d'un ressort moteur ou, dans certains modèles modernes, d'un système électrique auxiliaire. Dans les horloges à poids, il est nécessaire de remonter régulièrement les masses afin de maintenir le fonctionnement du mécanisme, tandis que dans les horloges à ressort, il faut retendre périodiquement le ressort moteur. La force produite par cette source d'énergie est transmise à travers un ensemble complexe d'engrenages et régulée par un pendule ou un balancier oscillant.

Ces dispositifs permettent de contrôler avec précision l'écoulement du temps. Les horloges mécaniques peuvent également être équipées de systèmes sonores, comme des gongs ou des carillons, qui scandent les heures et parfois les quarts d'heure. L'affichage du temps est assuré soit par des aiguilles se déplaçant sur un cadran gradué, soit par des roues chiffrées visibles à travers des ouvertures.

La montre mécanique fonctionne généralement grâce à un ressort hélicoïdal logé dans un barillet. Comme dans les grandes horloges à ressort, l'énergie accumulée est transmise aux aiguilles par l'intermédiaire d'engrenages miniaturisés. Une serge de balancier, associée à un échappement, régule le mouvement et assure une oscillation régulière indispensable à la précision de la montre.

Montres et horloges électriques

Les montres et horloges électriques se distinguent des modèles mécaniques par l'utilisation du courant électrique comme source d'énergie principale. Celui-ci peut être fourni par le réseau électrique sous forme de courant alternatif, ou par une pile ou une batterie produisant du courant continu. Bien que ces appareils comportent souvent des rouages comparables à ceux des horloges mécaniques, ils utilisent un moteur électrique synchrone tournant à vitesse constante pour entraîner les aiguilles ou les dispositifs d'affichage.

Le moteur est relié à des engrenages démultiplicateurs qui adaptent la vitesse de rotation afin d'obtenir les mouvements correspondant aux secondes, aux minutes et aux heures. Contrairement aux horloges mécaniques traditionnelles, dont les aiguilles avancent par petites impulsions correspondant au passage des dents de l'échappement, les aiguilles des horloges électriques se déplacent souvent de manière continue et fluide. Dans de nombreux modèles modernes, l'heure n'est plus indiquée par des aiguilles mais par un affichage numérique électronique.

Aujourd'hui, les horloges électriques domestiques possèdent généralement un petit moteur alimenté par un générateur produisant un courant alternatif de fréquence très stable. Ce système peut également servir à synchroniser plusieurs horloges secondaires, appelées horloges esclaves, à partir d'une horloge maîtresse centrale. Les montres électriques et électroniques portatives utilisent quant à elles de petites piles devant être remplacées périodiquement. Ces piles alimentent soit une serge de balancier dans certaines montres hybrides, soit un diapason miniature ou un cristal de quartz dont les oscillations servent de référence temporelle.

Montres à diapason

Les montres à diapason sont des instruments horlogers dans lesquels un diapason métallique joue le rôle principal d'oscillateur, et parfois même celui de moteur du mécanisme. Ce diapason, semblable dans son principe à celui utilisé en acoustique pour produire une note stable, oscille à une fréquence de résonance extrêmement régulière. Son mouvement est entretenu grâce à de petits électroaimants reliés à un circuit électrique alimenté par une pile. Les vibrations du diapason sont ensuite transmises directement aux rouages de la montre, qui entraînent les aiguilles ainsi que, dans certains modèles, d'autres dispositifs indicateurs du temps.

Dans certains modèles plus élaborés, le diapason ne sert pas directement à entraîner le mécanisme, mais agit uniquement comme oscillateur de référence. Ses vibrations maintiennent alors constante la fréquence d'un générateur électronique alimentant un moteur synchrone miniature, chargé de faire fonctionner les rouages de la montre. Cette technologie permet d'obtenir une précision nettement supérieure à celle des montres mécaniques classiques. De nombreuses montres à diapason sont équipées d'un affichage digital, où les informations horaires apparaissent sous forme de chiffres visibles sur un écran mécanique ou électronique. Ces dispositifs peuvent afficher non seulement les heures, les minutes et les secondes, mais également les fractions de seconde, comme les centièmes ou les millièmes, particulièrement utiles dans les compétitions sportives et les mesures de haute précision.

Montres et horloges à quartz

L'horloge à quartz, mise au point en 1929, représente une avancée majeure dans l'histoire de l'horlogerie grâce à sa précision remarquable. Son fonctionnement repose sur les propriétés piézoélectriques du quartz, un cristal capable de vibrer à une fréquence très stable lorsqu'il est soumis à une tension électrique. Dans ces appareils, une fine lame ou une bague de quartz est intégrée à un circuit électronique et réglée pour osciller à une fréquence extrêmement élevée et constante, souvent de l'ordre de 100 000 hertz, c'est-à-dire 100 000 cycles par seconde.

Ces oscillations produisent un courant alternatif de fréquence stable, qui est ensuite divisé électroniquement jusqu'à atteindre une fréquence utilisable pour commander un moteur synchrone ou un système d'affichage numérique. Le moteur entraîne alors les aiguilles ou les dispositifs indicateurs du temps avec une très grande régularité. Grâce à cette technologie, les horloges et montres à quartz surpassent largement les modèles mécaniques traditionnels en matière de précision. Les modèles les plus performants peuvent présenter une erreur limitée à environ une seconde tous les dix ans, ce qui en fait des instruments extrêmement fiables pour les usages domestiques, scientifiques et industriels.

Chronographe

Le chronographe est un instrument spécialisé de mesure du temps qui, en plus d'indiquer l'heure courante, permet d'enregistrer avec précision la durée écoulée entre deux événements. Il peut ainsi mesurer des intervalles très courts et les exprimer en fractions de seconde. Les chronographes sont utilisés dans de nombreux domaines, notamment le sport, l'industrie, la médecine et les sciences expérimentales.

Il existe plusieurs variantes de chronographes adaptées à des usages spécifiques. Le tachymètre, par exemple, permet de déterminer des vitesses de rotation ou de déplacement à partir d'une mesure de temps. Le pulsomètre sert à mesurer les pulsations cardiaques, tandis que le compteur de production indique le nombre d'objets fabriqués pendant une période déterminée. Le chronomètre, souvent considéré comme une forme particulière de chronographe, est largement utilisé dans les compétitions sportives pour mesurer avec précision le temps séparant deux événements, comme le départ et l'arrivée d'une course. Les chronographes modernes, souvent électroniques, peuvent atteindre une précision allant jusqu'au millième de seconde.

Horloges atomiques

L'horloge atomique, également appelée horloge moléculaire dans certains cas, constitue l'instrument de mesure du temps le plus précis jamais développé. Son fonctionnement repose sur l'utilisation des oscillations extrêmement régulières des radiations émises par des atomes ou des molécules lorsqu'ils passent d'un état énergétique à un autre. Contrairement aux mécanismes mécaniques ou électroniques classiques, ces oscillations atomiques sont pratiquement indépendantes des perturbations extérieures, ce qui garantit une stabilité exceptionnelle.

La première horloge atomique, utilisant l'ammoniac, fut construite en 1947. Elle associait un oscillateur à quartz à un dispositif de résonance basé sur les propriétés de la molécule d'ammoniac (NH?). Dans cette molécule, l'atome d'azote peut osciller de manière extrêmement régulière par rapport au plan formé par les trois atomes d'hydrogène. Lorsque cette oscillation est excitée par des ondes électromagnétiques de fréquence identique, un phénomène de résonance se produit, permettant d'obtenir une mesure du temps très précise. Ce type d'horloge ne présente qu'une erreur d'environ une seconde tous les trente ans.

L'horloge atomique au césium, utilisée pour définir officiellement la seconde dans le Système international d'unités, repose sur les propriétés magnétiques de l'atome de césium. Celui-ci agit comme un minuscule dipôle magnétique dont l'orientation peut changer entre deux états parfaitement définis. La fréquence du rayonnement associé à cette transition sert de référence universelle pour la mesure du temps. L'horloge au césium installée au National Institute of Standards and Technology à Boulder peut atteindre une précision telle qu'elle ne dérive que d'environ une seconde tous les trois mille ans.

Les horloges atomiques à ammoniac et à hydrogène utilisent également le principe du maser, analogue au laser mais appliqué aux micro-ondes. Dans un maser à ammoniac, les molécules sont séparées selon différents niveaux d'énergie, et les transitions entre ces niveaux produisent des oscillations extrêmement stables. Ces appareils sont utilisés pour mesurer avec précision la rotation de la Terre, dont la durée varie légèrement de quelques millisecondes par jour. Les recherches les plus récentes laissent envisager la mise au point d'horloges atomiques à hydrogène encore plus performantes, capables de limiter l'erreur à une seconde sur plusieurs centaines de milliers d'années.