• | Recherche ,
  • | Société ,

20 mai 2019 : une révolution – tranquille – pour nos unités de mesure...

Marc Himbert, directeur scientifique du Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam (LCM)

Publié le 20 mai 2019 Mis à jour le 20 mai 2019

Tout, tout, tout, vous saurez tout sur le S.I. ! Aujourd’hui 20 mai 2019 est un grand jour pour la métrologie, cette science que nous utilisons tous les jours sans le savoir, comme la prose avec Monsieur Jourdain. Préparé depuis 25 ans par les plus grands métrologues mondiaux, le nouveau système international entre aujourd’hui en vigueur, avec 7 unités de mesure identiques… mais fondamentalement différentes.

Kilogramme cylindrique en platine n°13 avec socle et cloche, 1870-1875  Inventaire n° : 13404-0000-  © Musée des Arts et Métiers-Cnam/photo studio Cnam

Kilogramme cylindrique en platine n°13 avec socle et cloche, 1870-1875 Inventaire n° : 13404-0000- © Musée des Arts et Métiers-Cnam/photo studio Cnam

Marc Himbert, directeur scientifique du Laboratoire commun de métrologie LNE-Cnam (LCM), nous explique en quoi a consisté cette redéfinition et ce qu’elle pourrait bientôt changer à notre quotidien.   

La métrologie, c’est l’art de la mesure. Et nous sommes tous concernés par le changement des unités promulgué le 20 mai.

Tous concernés par toutes les mesures liées à l’activité humaine qu’on peut exprimer avec un niveau d’incertitude donné. De la tranche de jambon chez votre boucher à un tanker chargé au Moyen Orient, ce que l’on échange ou achète, c’est une certaine quantité de matière qu’il faut déterminer sans ambiguïté, afin d’assurer la loyauté des transactions commerciales. La mesure, c’est aussi la preuve objective devant laquelle on s’incline, que l’on utilise comme preuve légale, comme pour le dopage ou le taux d’alcoolémie au volant. C’est aussi la base de la construction scientifique : sans mesure, pas de validation des théories scientifiques. C’est également le moyen d’assurer l’innovation, le bon fonctionnement et l’optimisation des technologies. C’est un outil privilégié pour assurer la compétitivité des entreprises : lorsque l’on assemble un Airbus avec des pièces fabriquées dans des pays différents, l’ajustement se fait au cent millième de mètre. Les mesures permettent enfin de vivre dans un monde plus sûr, en établissant des diagnostics fiables pour les patients, en maîtrisant les traitements dispensés. C’est la clef du développement durable : si vous supprimez la fiabilité de la mesure des polluants, des températures ou encore de la salinité des océans, vous perdez les moyens d’accéder à des données en lesquelles on puisse avoir confiance pour contrôler et prévoir l’état de l’environnement.

Bien sûr, on utilise le mot « mesure » dans des contextes très divers : certains prétendent mesurer les capacités intellectuelles, l’intensité de la douleur, la satisfaction des clients d’un opérateur ferroviaire sur la ponctualité des trains... ou même l’efficacité d’une politique publique ! Au sens strict, on s’est éloigné de la mesure et on est entré dans le champ des « essais », pour lesquels le résultat est totalement dépendant du protocole mis en œuvre, du mode opératoire suivi (qui interroge-ton ? où ? quand ? quel indicateur a-t-on choisi ?)

Au sens strict, « Mesurer », c’est « Comparer une grandeur inconnue à une grandeur de même nature prise pour référence » à l’aide d’un instrument, et exprimer le résultat de cette comparaison à l’aide d’une valeur numérique, associée à une unité, qui rappelle la nature de la référence, et assortie d’une incertitude qui exprime à la fois la qualité de la comparaison réalisée et la connaissance que l’on a de la référence.

Un système international d’unités en vigueur dans le monde entier

Pour établir un système d’unités de mesure universel, il est important de se mettre d’accord. C’est pourquoi la Convention du mètre, signée en 1875 (sans doute le plus ancien traité international toujours vivant), a fixé de manière conventionnelle les définitions des unités de mesure. Une fois l’unité définie, il faut construire dans les différents pays des « étalons », des objets qui matérialisent cette unité. Tout un ensemble de comparaisons permet d’assurer la traçabilité des mesures, en quelque sorte le niveau de fiabilité des références utilisées et leur degré d’équivalence, qui permet ultérieurement d’avoir confiance dans les mesures pour les échanges internationaux. Ce qui entre en vigueur aujourd’hui, c’est, au sein de cette Convention, la modification des définitions de ces unités. Ce type de changement est déjà intervenu plusieurs fois dans l’histoire (le mètre a par exemple, depuis sa première définition lors de la Révolution Française, changé de définition en 1889, en 1960 et en 1983). Heureusement, bien que les champs d’application de la mesure soient très vastes, on a montré qu’il suffisait de définir, de façon conventionnelle, sept unités pour construire de façon cohérente et unique toutes celles qui servent en mécanique, en chimie, en thermodynamique, en biologie, en photométrie... Le choix s’est fixé sur la seconde pour la durée, le mètre pour la longueur, le kilogramme pour la masse, l’ampère pour l’intensité de courant électrique, le kelvin pour la température thermodynamique, la mole pour la quantité de matière, la candela pour l’intensité lumineuse.

L’objectif de la réforme : rendre le système d’unités mieux adapté au progrès

Le système international d’unités était assis sur des propriétés pas toujours fondamentales : pour la masse, il fallait se reporter pour toute mesure à un prototype étalon de 1 kg ; pour la température, on devait se relier à un point fixe proche de 0°C ; en électricité les étalons de courant n’étaient pas assez précis... Et pour mesurer une faible masse (100 microgrammes, valeur courante en pharmacie, mais encore gigantesque pour un micro ou nano système) il fallait faire des centaines de comparaisons pour remonter au kilogramme, augmentant à chaque expérience l’incertitude obtenue. En plus, le prototype du kilogramme, choisi comme étalon en 1889 et conservé au Bureau international des poids et mesures à Sèvres n’était peut-être pas stable dans le temps... En tout cas, une dispersion de ± 50 microgrammes a été observée sur 120 ans lorsqu’on le compare aux objets identiques fabriqués en même temps que lui et conservés dans les mêmes conditions... Comment peut-on, alors, trouver des références pérennes (dans le temps), uniformes (dans l’espace), accessibles sur une très large étendue de mesure (les grandes et les petites valeurs) et, qui plus est, aussi exactes que possibles (pour satisfaire les besoins croissants de précision) ? Comment garantir, également, que le changement de définition des unités assurerait la continuité des mesures ? En métrologie, ce n’est pas comme pour les monnaies, on ne multiplie pas brusquement par 6,55957 pour construire l’euro ! La nouvelle unité doit, en amplitude, rester équivalente à la précédente, et au moins aussi précise...

Un système désormais établi sur les constantes fondamentales de la science

La solution est venue des théories scientifiques bien établies : la relativité, la physique quantique, la thermodynamique statistique... La démarche, déjà appliquée en 1983 pour le mètre, consiste à fixer la valeur numérique de constantes physiques fondamentales, dont notre connaissance du monde valide, aujourd’hui, le caractère pérenne et uniforme... Pour assurer la continuité historique, il faut d’abord mesurer la constante (sa valeur) dans le système d’unités en vigueur : la grandeur s’exprime avec une valeur numérique – dotée d’incertitude – et une unité. Si on fixe désormais, de façon conventionnelle, la valeur numérique, comme la grandeur est constante cela détermine une nouvelle unité.

Une coopération internationale intense s’est engagée, plusieurs expériences ont été menées pour mesurer chaque constante physique concernée selon plusieurs principes de mesure, des débats passionnés ont eu lieu dans les comités internationaux de la Convention du mètre... Après 25 ans de travail la décision a été prise, à Versailles, à l’automne 2018 : le système international d’unités sera, à compter du 20 mai 2019, établi à partir de constantes de la nature, dont on fixe la valeur numérique : c’était déjà le cas de c, vitesse de propagation de la lumière dans le vide (celle qui donne l’énergie d’Einstein E=mc2 associée à une masse m); c’est désormais le cas également de la constante de Planck h (celle qui donne l’énergie E=hv d’un quantum de rayonnement), de la charge élémentaire e, de la constante d’Avogadro N et de la constante de Boltzmann k (celle qui donne l’énergie d’agitation thermique E=kT d’un système thermodynamique à la température T). La métrologie française, en particulier le Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM, a fortement contribué à ces travaux, fournissant l’un des résultats pour h et donnant, pour k, la meilleure mesure au monde...

Les unités reposent donc désormais, de façon pérenne et uniforme, sur ces modèles de représentation de notre monde que, aujourd’hui, aucune expérience ne met en défaut... des théories « même pas fausses » ... Bien sûr, les théoriciens auraient aimé aller plus loin, et fixer toutes ces valeurs à 1... Mais les métrologues sont restés pragmatiques, et ont assuré la continuité des mesures. Il n’y a donc pas de quoi être inquiets : tout ne va pas changer du jour au lendemain, on va toujours continuer à étalonner des balances avec des masses... et utiliser les échelles de température... mais les références ultimes sont mieux établies, et de nombreuses perspectives nouvelles sont ouvertes.

Des mesures adaptées aux besoins nouveaux, en particulier au nano-monde

Abandonner les prototypes et les objets matérialisés permet de simplifier à l’extrême les chaînes de raccordement et de réaliser un gain significatif en précision dans les domaines extrêmes de l’étendue de mesure. Mesurer une masse ou une force extrêmement petites ne nécessite plus le raccordement au kilogramme, mais peut être réalisé directement en utilisant la physique quantique et la constante h. Mesurer une très haute température se fait directement par la pyrométrie et la constante k. Utiliser les effets quantiques pour les mesures électriques de courant fait déjà gagner un facteur proche de 50 en précision... Et les applications concrètes sont déjà là, comme les pinces à l’échelle moléculaire qui permettent de manipuler les atomes... L’aventure expérimentale se poursuit, permettant de matérialiser les unités sur toute l’étendue de mesure, et on assiste à un foisonnement d’initiatives dans les différents pays.

De plus, il faut s’attendre à l’émergence et au développement de principes de mesure nouveaux, ou désormais réalisables dans des conditions assurant la traçabilité. C’est ce qui s’est produit après 1983, où le changement de définition du mètre a permis l’émergence et le développement opérationnel des systèmes de positionnement par satellites, dans lesquels on ne mesure plus directement des distances, mais des temps de parcours d’impulsions électromagnétiques se propageant à la vitesse c fixée... Demain, on mesurera une force par la pression de radiation exercée par un faisceau laser ; on accédera à une température par les fluctuations mécaniques d’un résonateur optique illuminé par un faisceau comprimé ; on déduira une pression d’une mesure de fréquence acoustique et électromagnétique... De nombreuses voies sont ou seront ouvertes, venant illustrer E=hv, ou kT, ou mc2, et les mesures reposeront sur des mesures optiques de longueur d’onde ou de fréquence, d’incertitude extrêmement faible…

Ces nouvelles unités participent dès aujourd’hui au développement technologique. Doit-on s’attendre, à court terme, à de nouvelles réformes dans les définitions ? Même si la seconde, aujourd’hui basée sur l’horloge atomique micro onde à atomes de césium, est de loin, l’unité qui est réalisée de la façon la plus précise, au millionième de milliardième près, il est probable que, à l’horizon d’une dizaine d’années, des références optiques à plus haute fréquence seront utilisées pour faire évoluer la définition.

Une réforme adoptée à l’unanimité

Aujourd’hui, nous passons donc à la phase opérationnelle ; les outils sont en place, l’essentiel est déjà fait. Bien sûr, le nouveau système international d’unités paraît bien conceptuel, et il ne sera pas simple d’y être familiarisé. Mais au-delà du seul aspect scientifique et technique, l’adoption de ces nouvelles unités est un moment chargé d’émotions : voir tous les participants à la Convention du mètre voter de manière unanime, en exprimant oralement leur approbation, quels que soient les tensions de leurs relations internationales, a montré à quel point la science a le pouvoir, comme aujourd’hui, de se mettre au service de la société et, partant, de toute l’Humanité.

Marc Himbert


Picto label thématiques articles Cnam Blog | Recherche | Société

1 commentaire

  • 1

    De Nicolas Kalogeropoulos
    21/05/2019, 11:12

    L'histoire du mètre est passionnante ! C'est une magnifique unité de mesure, à la fois simple et précise. En comparaison le système impérial est très abstrait !

Pour faire un lien, saisissez l'adresse complète du site web (http://www.siteweb.fr) ou du mail.