Jeunes & Sciences… & Société – #3 : Les unités SI

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Prototype du kilogramme : « le grand K »

Pour quantifier un phénomène naturel, il est d’usage d’utiliser des unités propres aux grandeurs physiques mesurées. Ainsi, le kilogramme est l’unité utilisée pour exprimer la masse d’un corps, le mètre pour mesurer la longueur, le pascal pour mesurer la pression… Pour quantifier des grandeurs fondamentales, on utilise des unités fondamentales et elles sont les mêmes partout dans le monde, rassemblées par ce qu’on appelle le Système International. Certaines unités sont amenées à être redéfinies dans le mois de novembre 2018. Comment ont été définies ces unités ? En quoi sont-elles fondamentales ? Et surtout pourquoi les redéfinit-on régulièrement ?

Sept unités fondamentales

Les unités du Système Internationale (SI) sont aujourd’hui au nombre de 7 : le kilogramme kg (masse), le mètre m (longueur), la candela cd (intensité lumineuse), la mole mol (quantité de substance), le kelvin K (température thermodynamique), l’ampère A (courant électrique) et la seconde s (temps, durée). Elles sont appelées unités fondamentales et composent la base de toutes les autres unités utilisées aujourd’hui pour mesurer d’autres grandeurs physiques. Ainsi, le newton par exemple mesure une force et peut être construit à partir des unités de la masse, de la distance et du temps (N = kg x m x s-2). Mais le fait que les sept unités fondamentales SI servent de base pour les autres unités dérivées du SI ne justifie pas vraiment ce caractère fondamental. En effet, l’ampère par exemple est défini à partir du mètre et du newton. Certaines unités fondamentales sont interdépendantes et ne sont fondamentales que parce que les grandeurs physiques qu’elles mesurent sont indépendantes entre elles.

Des définitions en évolution

En matière de métrologie – la science de la mesure – l’organe décisionnel est la Conférence générale des poids et mesure (CGPM), créée en 1875. Elle statue régulièrement sur la définition des unités de mesure en prenant en compte les rapports du Comité international des poids et mesure (CIPM) relatant les travaux effectués en métrologie, en se réunissant tous les 4 ans.

La première définition du mètre par exemple était proposée en 1791 en France comme étant une partie de la circonférence terrestre : 1/20 000 000 du méridien terrestre. Un étalon avait été créé par la suite. Après l’adoption successive du système métrique décimal à l’international, la CGPM a défini en 1889 le mètre comme étant la distance entre deux points sur une barre d’un alliage d’iridium et de platine. Sa dernière définition date de 1983 et est basée sur la vitesse de la lumière [1]. Le kilogramme quant à lui était premièrement défini comme étant la masse d’un centimètre cube d’eau pure à 4°C en 1795. Jusqu’à aujourd’hui, un prototype est institué par la CGPM et est composé d’un alliage de platine et d’iridium. [2]

Copie du mètre-étalon au 36 rue Vaugirard, Paris

La plupart des autres unités ont été historiquement définies à partir de phénomènes naturelles. La seconde était par exemple définie comme une fraction de l’année tropique 1900 en 1960. La CGPM a constamment lancé des réflexions dans le but de redéfinir les unités en améliorant les précisions. Car en effet, un problème de reproductibilité était limitant pour la définition des unités fondamentales.

Les écueils des étalons : de l’intérêt de se baser sur des propriétés fondamentales de la matière

La définition des unités basées sur des phénomènes naturels présentaient de sérieuses limites. En effet, elles étaient très difficilement transposables et reproductibles. De plus, certains étalons comme celui du kilogramme se dégradaient au cours du temps, du fait de plusieurs facteurs compromettants la totale conservation des prototypes (éraflures microscopiques, adsorption…). La différence mesurée entre les copies ne permet pas de garder une définition solide de certaines unités définies à partir de propriétés de certains matériaux, à l’ère où la précision des mesures est devenue primordiale pour quantifier minutieusement des phénomènes et grandeurs physiques. En ce sens, la CGPM a redéfini régulièrement une bonne partie des unités fondamentales afin qu’elles soient réellement de nom, en se basant sur des phénomènes physiques reproductibles.

  • Le kilogramme est la masse d’un prototype international composé à 90% de platine et 10% d’iridium. C’est actuellement la seule unité qui se réfère à un matériau.
  • Le mètre correspond à la longueur parcouru par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde. Cette définition découle d’une redéfinition préalable de la vitesse de la lumière dans le vide étant de 299 792 458 mètre par seconde. Du fait d’une définition antérieure au mètre de la seconde présentant le moins d’incertitude et de l’invariance de la vitesse de la lumière en tout référentiel, la définition actuelle du mètre est convenable.
  • La seconde est la durée de 9 192 631 770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133 à la température du zéro absolu. Elle est actuellement l’unité la plus précise du SI, bien qu’elle soit reliée à une propriété d’un élément chimique arbitraire. Elle est mesurée exactement par les horloges atomiques.
  • L’ampère est l’intensité du courant constant qui, maintenu entre deux conducteurs parallèles rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance d’un mètre de l’autre dans le vide produirait une force entre ces deux conducteurs égale à 2 x 10-7 newton par mètre de longueur. [3]
  • Le kelvin est l’unité de température thermodynamique correspondant à 1/273,18 de la température thermodynamique du point triple de l’eau. La température thermodynamique est de facto absolue, un seul point fixe est suffisant, ce qui en fait un point fondamental de référence. [4]
  • La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 0.012 kilogramme de carbone 12. Elle est une unité de dénombrement de particules, ces dernières doivent être spécifiées lors de l’utilisation de la mole. [5]
  • La candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d’une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 1012 s−1 (hertz) et dont l’intensité énergétique dans cette direction est de 1⁄683 watt par stéradian (unité d’angle solide). La fréquence choisie correspond à la longueur d’onde de 555 nm afin de convenir au maximum de la sensibilité de l’œil humain à la lumière du jour (jaune-vert). [6]

La prochaine redéfinition des unités fondamentales SI en 2018

Du 13 au 16 novembre 2018 se tiendra le 26ème Conférence générale des poids et mesure durant laquelle 4 unités seront redéfinies : le kilogramme, l’ampère, la mole et le kelvin. Le principe est de s’affranchir de matériaux afin de se baser sur des constantes fondamentales, inchangées et invariables à travers le temps, immatérielles et intrinsèquement liées à des propriétés physiques élémentaires, faisant de celles-ci des références révolutionnaires en métrologie. Ainsi, le kilogramme sera redéfini à partir de la constante de Planck h, le kelvin à partir de la constante de Boltzmann k liée à l’agitation thermique, l’ampère à la charge élémentaire e et la mole à partir de la constante fixée d’Avogadro NA.

A première vue, la redéfinition de ces unités ne bouleversera pas notre quotidien. Cependant, elle va assurément permettre d’adopter des définitions plus fondamentales pour décrire au mieux la physique, et d’un point de vue applications va améliorer la précision des appareils de mesure, notamment dans des conditions expérimentales extrêmes.

[1] : Résolution 1 de la 17ème conférence générale des poids et mesure

[2] : 1ère conférence générale des poids et mesure (1889)

[3] : Comité international des poids et mesure, 1946

[4] : Résolution 4 de la 13ème conférence générale des poids et mesure (1967)

[5] : Résolution 3 de la 14ème conférence générale des poids et mesure (1971)

[6] : Résolution 3 de la 16ème conférence générale des poids et mesure (1979)

 

Par Omar El Hamoui – 1er Vice-Président en charge de la médiation scientifique et de l’ouverture culturelle (AFNEUS)

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