Le nouveau système international d’unités SI Understand article

Les progrès de la recherche scientifique sont tels que toutes les unités fondamentales vont pouvoir être définies en fonction de constantes fondamentales de l’Univers.

Malgré l’obstination des USA à s’en tenir aux unités comme le mile, la livre ou le degré Fahrenhait, le reste du monde est en général d’accord pour utiliser des unités qui se divisent par dix. Le système métrique, dit aussi Système International d’Unités (SI) est le moyen le plus complet et le plus précis que l’homme a inventé pour mesurer l’univers. Il comprend les sept unités de base pour la longueur, la masse, le temps, le courant électrique, la luminosité et la quantité de matière.

Depuis l’introduction du système métrique vers 1790, les scientifiques se sont acharnés à en définir les unités de manière de plus en plus précise. Quatre d’entre elles vont être revisées : le kilogramme (kg), le kelvin (K), l’ampère (A) et la mole (mol), pour les relier à des constantes universelles. Ces nouvelles définitions seront adoptées de manière internationale le Jour de la métrologie mondiale, le 20 mai 2019. Après cette date, toutes les unités du système métrique seront définies à partir des constantes de l’univers.

Le mètre (distance)

En 1799, on a défini le mètre par deux traits gravés sur une barre de platine. Mais récemment les physiciens ont réalisé que le mètre peut être défini avec plus de précision (une partie par milliard) en utilisant l’interféromètre qui a permis de découvrir les ondes gravitationnelles. Le mètre (m) est aujourd’hui la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299 792 458 ème de seconde. Cette définition ne sera pas modifiée par la nouvelle mise à jour 2019.

Kilogramme (masse)

Pendant plus d’un siècle, le kilogramme standard a été un cylindre de platine-iridium conservé au Bureau International des Poids et Mesures BIPM près de Paris, France. Mais sa masse précise fluctue à cause de facteurs comme l’accumulation de poussière microscopique. Dorénavant, le kilogramme sera défini par rapport à la constante de Planck, qui vaut 6.626070040 x 10^-34 kg m² s^-1. Cette constante, représentée par la lettre h, est la plus petite quantité d’énergie quantifiée. Elle sert à calculer les énergies en physique des particules.

La seconde (temps)

La seconde a tout d’abord été fixée à partir du temps séparant deux pleines lunes. Puis, on l’a définie par rapport à la durée du jour solaire, et enfin par rapport à l’année solaire. Mais aujourd’hui, les secondes sont définies à l’échelle atomique, avec une précision de une partie sur dix milliards. Le temps atomique est basé sur la période d’une radiation produite et absorbée par les atomes, qu’on appelle “fréquence de transition hyperfine” (Δ_ν). Une seconde est (et restera) 9 192 631 770 périodes de la radiation du Césium-133.

Le kelvin (température)

L’échelle de température en kelvin commence à l’état le plus froid possible de la matière. Aujourd’hui, le kelvin est défini par le point triple de l’eau, qui est la température où l’eau coexiste sous forme solide, liquide et gazeuse. Comme ce point triple est à 273.16 K, un Kelvin vaut le 1/273.16 ème du point triple. Mais l’eau n’est jamais pure, et les impuretés influencent sur ce point triple. En 2017, une équipe de physiciens allemands du Physikalisch-Technische Bundesanstalt a mesuré la constante de Boltzmann avec une précision inégalée. Cette constante, symbolisée par la lettre k, est le rapport de l’énergie cinétique moyenne des particules de gaz divisée par la température du gaz. Elle vaut exactement 1.38064852 x 10²³ joule par Kelvin. Donc elle sert à redéfinir la température, qui est donc maintenant égale à l’énergie cinétique d’un gaz divisée par k.

L’ampère (courant électrique)

André-Marie Ampère (1775–1836), qui est souvent considéré comme le père de l’électrodynamique, a l’honneur d’avoir donné son nom à l’unité de courant électrique. Jusqu’à aujourd’hui, l’ampère était la quantité de courant qui produit une force de 2 x 10^-7 newton par mètre séparant deux conducteurs parallèles de longueur infinie. Mais, comme c’est difficile de se référer à des choses de longueur infinie, on a décidé de redéfinir l’ampère à partir de la charge fondamentale d’une particule, à savoir celle de l’électron, dont la charge e est définie comme égale à 1.6021766208 x 10^-19 ampère seconde.

La candela (luminosité)

La dernière unité de base SI est la candela, qui mesure la luminosité, qu’on appelle aussi brillance, et qui est l’énergie diffusée dans l’espace entourant une source lumineuse. Les premiers standards de la candela étaient reliés à la radiation du corps noir, c’est-à-dire à la lumière émise par tous les objets en fonction de leur température. Aujourd’hui la candela vaut 1/683 watt d’une lumière jaune de 540 x 10¹² Hz émise par stéradian. Et cette définition ne sera pas modifiée. A titre de comparaison, une bougie ordinaire a une intensité lumineuse de presque 1 candela.

La mole (quantité de matière)

A la différence de toutes les autres unités de base, la mole est un nombre sans dimension. Elle relie le nombre d’atomes à la masse, en suivant une approche amorcée par Amadeo Avogadro (1776 – 1856). Jusqu’à aujourd’hui, la mole a été définie comme le nombre d’atomes qu’il y a dans 12 gramme (g) de Carbone-12. Ce nombre, appelé nombre d’Avogadro, vaut environ 6 x 10²³. La nouvelle définition de la mole ne dépendra plus de la définition du kilogramme. Ce sera la masse de 6.022140857 x 10²³ objets (atomes ou molécules).

Acknowledgement

Ceci est la version éditée d’un article publié en ligne dans le magazine Symmetry du 7 novembre 2017^w1. 

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