© 2023 par La Couleur. Créé avec Wix.com

  • Judith Biernaux

Le nouveau kilogramme

Mis à jour : 30 août 2019

Le 20 mai dernier, la Conférence Générale des Poids et Mesure (CGPM) actait un changement de définition du kilogramme. Un kilogramme ne pèse-t-il plus tout à fait un kilogramme ?



Ne nous inquiétons pas : ni notre régime, ni nos courses en vrac ne sont compromis par ce changement. Lorsqu’on lit que le kilogramme a changé, ce n’est en réalité pas sa valeur, mais sa définition. Un kilogramme équivaut toujours à la même masse, mais d'autres références sont maintenant utilisées pour le définir.


Partir sur de bonnes bases


Les unités de mesure sont une pierre angulaire de la science. Un système standard de mesure permet aux scientifiques de collaborer, de vérifier la reproductibilité des résultats d’expérience, de comparer des grandeurs. C’est ce qui permet aussi aux institutions de recherche ou aux industries d’échanger des informations. Autrefois, un véritable désordre régnait en la matière : on utilisait des unités de mesure qui reposaient sur des objets non universels, comme les pieds et les pouces de rois ou nobles locaux. Ces unités variaient grandement de région en région, ce qui compliquait les échanges de marchandises pour le commerce, la perception des impôts ou le partage des terres. En 1790, un groupe de penseurs dont Talleyrand et Condorcet s’adressent à l’Assemblée Nationale fraîchement constituée et demandent la mise sur pied d’un ensemble d’unités durable et universel, plus rationnel, pour simplifier et ordonner les transactions de toutes sortes.

1800 : la population française découvre le système métrique. Image : Commons.

Ce nouveau système se basera sur des unités fondamentales de masse, de temps et de distance, avec pour cette dernière, le mètre : c’est là le début de notre système métrique. Il faut donc se mettre d’accord dans toute la France sur ce que représente un mètre. Et pour Talleyrand, pas question de le définir par un étalon approximatif, soumis à l’usure du temps ou basé sur une partie du corps du souverain. Il s’agit de trouver une définition du mètre basée sur un élément naturel, permanent, valide non seulement pour la France mais également pour toute l’humanité. La première définition du mètre sera basée sur nulle autre que la planète Terre.  Un mètre est défini comme « la mesure de longueur égale à la dix-millionième partie de l'arc de méridien compris entre le pôle boréal et l'équateur. » En d’autres termes, si l’on pouvait tracer une ligne du pôle nord à l’équateur en suivant un méridien, cette ligne ferait dix millions de mètres, soit dix mille kilomètres, un quart du périmètre de la Terre. Cette définition répond bel et bien aux critères de Talleyrand, mais le commun des mortels éprouve quelques difficultés à se représenter un dix-millionième de méridien.


L'expédition du méridien

Pour les aider, il faut une conversion très précise entre le mètre et l’une des unités anciennes, comme la toise de Paris par exemple. Une toise équivaut à la longueur entre les bouts des doigts des deux mains, bras étendus, et la toise traditionnellement utilisée est la toise de Paris, représentée par une barre de fer fixée dans le mur du Grand Châtelet, une ancienne forteresse parisienne. Des expéditions sont organisées pour mesurer précisément des morceaux de méridien en toises de Paris. L’une des plus épiques entre Dunkerque et Barcelone, sous la responsabilité de Messieurs Delambre et Méchain, leur réservera de nombreuses embûches : arrestations pour suspicion d’espionnages, maladies, accidents… En plus d’une résistance générale de la population attachée à ses aulnes, pouces et toises, le passage au système métrique ne s’opère pas sans peine.


Pour en revenir au kilogramme, ce dernier est défini théoriquement en 1795 comme la masse d’un litre (soit mille centimètres cube) d’eau pure. Un étalon est fabriqué en 1799 sous forme d’un cylindre de platine, qu’on range précieusement aux Archives de France le 22 juin. Cette date est souvent considérée comme naissance du système métrique. Malgré cela, l’abstraction des unités de mesure suscite des réticences au sein de la population, qui ne perçoit pas l’utilité immédiate d’une telle réforme. Il faudra encore patienter avant d’oublier définitivement les anciennes unités. En 1812, l’empereur Napoléon publie un décret renforçant l’utilisation du système métrique pour le commerce. Le dernier roi français, Louis-Philippe, renforce encore cette obligation en 1840.



La Convention du Mètre


Le dernier clou du système métrique est enfoncé le 20 mai 1875, lorsque dix-sept états essentiellement européens signent un traité baptisé la Convention du Mètre. Cette convention donne naissance à une autorité internationale en termes d’unités de mesure, le Comité International des Poids et Mesures. L’action principale du CIPM est d’organiser et diriger une réunion régulière entre les états ralliés à la Convention du Mètre, qui sont aujourd’hui au nombre de 59. C’est donc tous les quatre ans environ, non loin de Paris, lors de la Conférence Générale des Poids et Mesure, que sont prises toutes les décisions relatives au système d’unités international, noté SI. Conventions, étalons, définitions sont élaborées, étudiées, ratifiées et publiées lors de cet évènement périodique depuis 1889. C’est par exemple lors de la CIPM de 1960 que la définition du mètre change pour la première fois : l’unité de distance n’est plus définie par rapport à la Terre, mais sur base de la vitesse de la lumière.


La vingt-sixième CIPM se tient en novembre 2018, et il y est décidé de redéfinir quatre des sept unités de base du SI sur base de constantes fondamentales de la physique. De nos jours, le SI est constitué de sept unités de base : le mètre pour la distance, le kilogramme pour la masse, la seconde pour le temps, l’ampère pour le courant électrique, le kelvin pour la température, le candela pour l’intensité lumineuse et la mole pour la quantité de matière en chimie (en nombre d’atomes). Toute autre grandeur physique peut être exprimée dans des unités définies sur base de ces sept unités fondamentales. Par exemple, les unités de volume comme les litres ou de surface comme l’hectare sont définies sur base du mètre : un litre, c’est le volume d’un cube de dix centimètres de côté, et un hectare, l’aire d’un carré de cent mètres de côté.  



Le cylindre de 1kg en platine, étalon de mesure de cette unité. Image : B. Tessier / REUTERS


Qu'est-ce qui change alors ?


Avant la révision de mai 2019, les unités étaient définies sur base de phénomènes physiques ou théoriques. Par exemple, l’unité de courant électrique, l’Ampère, était défini sur base d’une expérience de pensée, incluant « deux conducteurs parallèles, rectilignes, infiniment longs et fins, distants d’un mètre… ». Petite exception à la règle, le kilogramme, défini sur base du fameux cylindre-étalon en platine. Ces définitions rattachées à des objets matériels sont soumises aux erreurs de mesure expérimentales ainsi qu’à l’usure du temps, comme cela a été observé sur le cylindre de platine, qui avait tendance à perdre de la masse.


Dorénavant, les définitions des unités du SI sont complètement dé-matérialisées : elles ne dépendent plus que de constantes physiques. Les unités de base sont toujours au nombre de sept et leur valeur ne change pas, uniquement la manière de les définir. Dans l’équipe des constantes servant à définir le SI, l’on retrouve les constantes de Planck, de Boltzmann, d’Avogadro, la vitesse de la lumière et la charge élémentaire. Une constante physique est une valeur numérique permanente, que l’on peut obtenir par expérimentation et retrouver systématiquement le même résultat. Par exemple, si dix équipes de physiciens mesurent par dix méthodes différentes la charge de l’électron, une particule élémentaire responsable du courant électrique, ils atteignent tous sur le même résultat. Il s’agit en quelques sortes de paramètres fixes de l’univers. Dans la foulée, la révision du SI de mai 2019 fixe la valeur numérique de ces constantes strictement par convention, ce qui permet de s’en servir pour définir les sept unités fondamentales. Pour les plus curieux, ces définitions données en bas de page.


Est-ce important ?


Toutes ces considérations peuvent paraître anodines, et il est vrai qu’un kilogramme d’oranges à l’épicerie sera toujours identique, même après la révision de mai 2019. Est-il vraiment important de s’inquiéter des unités ?


Condorcet et Talleyrand l’avaient compris : un système d’unités commun à tous les hommes permet des échanges plus justes et plus sûrs, cela favorise l’égalité et l’harmonie entre les Hommes. Au sein de la recherche scientifique, le S.I. est le socle de toute collaboration. En effet, pour bien travailler ensemble, deux équipes de chimistes doivent être sûrs que leurs éprouvettes graduées mesurent bien les mêmes millilitres et leurs balances, les mêmes milligrammes. Certains pays du monde ont conservé des unités différentes pour des aspects pratiques de la vie quotidienne. C’est le cas de l’Angleterre, ou la taille des côtés d’un jardin pourra être mesuré en yards, et le volume d’une canette de soda en fluid ounces. Aux Etats-Unis, les régimes font perdre des livres, les voitures sont ravitaillées en gallons d’essence et roulent en miles par heure, tandis que la météo annonce des températures en Fahrenheit. Si ces nations utilisent ce système d’unités impérial pour le quotidien, leurs institutions scientifiques, techniques et industrielles ont adopté le système métrique depuis les années soixante. Ou presque…


Cette différence de système d’unités peut parfois susciter la confusion. La sonde Mars Climate Orbiter en a fait les frais en 1999 : ce petit engin destiné à étudier la planète rouge depuis une orbite à 400 km d’altitude du sol martien a été lancée en décembre 1998. Il est équipé d’un logiciel qui transmet à ses mini-fusées auxiliaires les poussées nécessaires à son maintient sur la trajectoire prévue, grâce à des instructions envoyées par l’équipe de navigation au sol, basées au JPL en Californie. Petit problème : le JPL utilisait pour ces calculs de correction de trajectoire le système métrique, mais le logiciel embarqué pensait traiter des données dans les unités impériales. Ainsi, chaque correction de trajectoire transmise à l’Orbiter l’éloignait en fait de sa trajectoire normale : la sonde est passée à 57 km du sol martien, soit beaucoup trop bas. L’atmosphère martienne, quoique peu épaisse, a provoqué à cette altitude des frottements qui l’ont endommagée à tel point qu’elle s’est désintégrée et probablement écrasée sur la surface martienne. Cet accident a causé la perte de l’engin, donc d’argent et de probables progrès scientifique. On notera qu’il est donc capital de se mettre d’accord sur le système d’unités…



À LIRE SUR LE SUJET

Denis Guedj, Le mètre du monde, Points, Points grands romans, 2011, 416p








Les sept unités fondamentales


Le kilogramme, mesure de masse

Le kilogramme s’affranchit donc de son vétuste étalon de platine, et sa valeur se définit dorénavant en fixant la valeur de la constante de Planck. Cette constante est fondamentale dans la physique quantique, que l’on pourrait simplifier par la branche de la physique qui s’intéresse aux particules élémentaires comme les atomes. La constante de Planck décrit permet de décrire l’énergie transportée par la lumière.


La seconde, mesure de temps

La seconde, qui mesure le temps, est définie sur base de l’atome de césium : comme la durée équivalente à 9 192 631 770 oscillations de l’onde émise par l'atome de césium lorsqu’il oscille entre les deux niveaux hyperfins de son état fondamental. Comprenez : lorsque l’énergie d’un atome de césium diminue, celui-ci émet une lumière spécifique, représentée par une onde (un peu comme un électrocardiogramme). Cette onde oscille 9 192 631 770 fois en une seconde.


Le mètre, mesure de distance

Le mètre est défini sur base de la vitesse de la lumière, qui vaut 299792458 mètres par seconde. Pour mieux comprendre, la définition peut être retournée : un mètre équivaut à la distance que la lumière peut parcourir en 1/299792458 secondes.


Le kelvin, mesure de température

Un degré kelvin (K), est défini via la valeur de la constante de Boltzmann, qui lie l’énergie d’un gaz à sa température : plus il est chaud, plus il a de l’énergie. Les échelles de kelvin et de Celsius ont la même séparation entre échelons, mais sont décalées : zéro K équivalent à -273,16°C. Cette température, le zéro absolu, correspond à l’énergie minimale des particules élémentaires.


L'ampère, mesure de courant électrique

Un ampère est défini sur base de la charge élémentaire, soit la valeur de charge d’un électron, la particule élémentaire responsable des courants électriques. Un courant électrique est, au niveau physique, un mouvement de charges électriques. Pour faire briller nos ampoules et charger nos smartphones, ce sont en quelques sortes des rivières d’électrons qui coulent dans leurs câbles d’alimentation.


Le candela, mesure d'intensité lumineuse

Une candela, noté « cd », correspond à l’intensité énergique d’un rayonnement dans une direction donnée, à la fréquence spécifique de 540 térahertz. Par exemple, une ampoule de 20W émet environ 5000 candelas par angle de 10 degrés.


La mole, mesure de quantité de matière

La mole, bien connue des élèves de l’enseignement secondaire, est une grandeur utilisée en chimie pour mesurer des quantités de matière, plus précisément, pour lier une masse à un nombre d’atomes. C’est une unité en quelque sorte analogue au kilogramme. Elle est définie sur base de la constante d’Avogadro, qui correspond historiquement au nombre d'atomes de carbone dans 12 grammes de carbone 12.



Sources

Podcast France Culture "Système d'unités : une réforme sur les mesures"

Site du Laboratoire National de Métrologie et d'essais

13 vues