Nouvelles définitions du système international d'unités

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Un sous-comité du Comité international des poids et mesures (CIPM) a proposé une révision des définitions des Unités de base du système international, proposition étudiée par le CIPM et qui pourrait être appliquée lors du 25e CGPM en 2014[1],[2].

Les changements proposés sont en résumé les suivants :

« Il y aura toujours les mêmes sept unités de base (seconde, mètre, kilogramme, ampère, kelvin, mole et candela). Le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la mole seront redéfinis en prenant des valeurs numériques exactes de la constante de Planck, de la charge électrique élémentaire, de la constante de Boltzmann et du nombre d'Avogadro. La seconde, le mètre et le candela sont déjà définis par des constantes physiques et il est seulement nécessaire de mettre à jour leurs définitions. Les nouvelles définitions amélioreront le SI sans changer la valeur des unités[3]. »

Plus de détails sont accessibles dans le brouillon de la Ninth SI Units Brochure[4].

La dernière révision majeure du système métrique a eu lieu en 1960 quand le système international d'unités a été publié officiellement comme un ensemble cohérent d'unités de mesure. Le SI est structuré autour de sept unités de base qui ont des définitions apparemment arbitraires et vingt autres unités dérivées de ces unités de base. Quoique les unités en elles-mêmes forment un système cohérent, ce n'est pas le cas des définitions. Ces propositions cherchent à remédier à cet état en utilisant des constantes fondamentales de la nature pour définir les unités de base. Cela entraînera, entre autres, l'abandon du kilogramme étalon. La seconde et le mètre sont déjà définis de cette façon.

Il existe de nombreuses critiques des définitions révisées depuis qu'elles ont été proposées et il a été dit que la révision du SI exigeait des discussions franches et ouvertes avant que des décisions ne soient prises.

Les sept unités de base et interdépendance de leurs définitions actuelles.

Contexte[modifier | modifier le code]

En 1875, vingt des nations les plus industrialisées se sont rencontrées à la Convention du Mètre. Il en résulte la signature du Traité du Mètre qui met en place trois organisations chargées de réguler internationalement les unités de mesure :

  • CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures) — la conférence se réunit tous les quatre à six ans et est composée de représentants des nations qui ont signé la convention. Elle discute et examine les modifications à apporter pour assurer la propagation et l’amélioration du Système International des Unités et elle approuve les résultats des nouvelles décisions métrologiques fondamentales.
  • CIPM (Comité international des poids et mesures) — le comité est composé de dix-huit scientifiques de pays différents nommés par la CGPM. Le CIPM se réunit annuellement et est chargé de conseiller le CGPM. Le CIPM a instauré un certain nombre de sous-comités chargés de différents points particuliers. L'un d'entre eux, le CCU (Consultative Committee for Units), conseille le CIPM sur les problématiques d'unités de mesures[5].
  • BIPM (Bureau international des poids et mesures) — le bureau met à disposition des laboratoires et le secrétariat pour la CIPM et le CGPM.

Depuis 1960, date à laquelle la définition du mètre est reliée à une constante physique fondamentale plutôt qu'à un prototype, la seule unité encore liée à un étalon est le kilogramme. Avec les années, des pertes de matière allant jusqu'à 20×10−9 kilogrammes par année dans le prototype ont pu être détectées[6]. Lors de la 21e rencontre du GCPM (1999), il a été demandé aux laboratoires nationaux de trouver rapidement une manière de rompre le lien entre le kilogramme et un prototype.

Un rapport publié en 2007 par le Consultative Committee for Thermometry du CIPM note que la définition actuelle de la température n'est pas satisfaisante pour des températures inférieures à 20 K et supérieures à 1 300 K. Le comité pense que la constante de Boltzmann serait une meilleure base pour la définition de la température que le point triple de l'eau[7].

Lors de la 23e rencontre en 2007, le GCPM charge le CIPM d'enquêter sur l'utilisation des constantes physiques naturelles comme base pour la définition de toutes les unités. Cette mission est assumée l'année suivante par l'Union internationale de physique pure et appliquée (IUPAP)[8]. Lors d'une rencontre du CCU à Reading, Royaume-Uni en septembre 2010, une résolution[9] et un projet de modification de la brochure du SI, qui devaient être présentés lors d'une rencontre du CIPM en octobre 2010, sont acceptés par principe[10]. La rencontre du CIPM d'octobre 2010 note que « les conditions décidées par la General Conference lors de sa 23e rencontre ne sont pas encore atteintes. Pour cette raison le CIPM ne propose pas de révision du SI pour le moment. »[11] ; cependant le CIPM présente une résolution pour que les nouvelles définitions soient acceptées par principe lors de la 24e CGPM (17 au 21 octobre 2011), mais sans qu'elles soient implémentées tant que les détails n'ont pas été finalisés[12]. Cette résolution est acceptée par la conférence[1], et, de plus, le CGPM avance la date de la 25e rencontre de 2015 à 2014[13].

Peter J. Mohr suggère que, puisque le système proposé utilise des phénomènes à l'échelle atomique plutôt que macroscopique, il devrait être appelé « Quantum SI System »[14].

Les propositions[modifier | modifier le code]

Dans cette section, un X à la fin d'un nombre signifie que le dernier chiffre n’est pas encore approuvé.

Le CCU a proposé qu'en plus de la vitesse de la lumière quatre constantes de la nature soient définies avec des valeurs exactes :

Ces constantes sont décrites dans la version de 2006 du manuel SI. Les trois dernières sont décrites comme « des constantes dont l'obtention se fait par l'expérimentation ».

Il est proposé que les valeurs associées aux constantes naturelles suivantes restent inchangées :

Les sept définitions ci-dessus sont réécrites après avoir converti les unités dérivés (joule, coulomb, hertz, lumen et watt) dans les sept unités de base (seconde, mètre, kilogramme, ampère, kelvin, mole et candela). Dans la liste suivante, le symbole sr représente le stéradian, unité sans dimension.

  • Δν(133Cs)hfs = 9 192 631 770 s-1
  • c = 299 792 458 s-1⋅m
  • h = 6,626 06X×10-34 s-1⋅m2⋅kg
  • e = 1,602 17X×10-19 s⋅A
  • k = 1,380 65X×10-23 s-2⋅m2⋅kg⋅K-1
  • NA = 6,022 14X×1023 mol-1
  • Kcd = 683 s3⋅m-2⋅kg-1⋅cd⋅sr

En plus, le CCU propose que :

  • le kilogramme étalon ne soit plus utilisé et que la définition actuelle du kilogramme soit supprimée.
  • la définition actuelle de l'ampère soit supprimée.
  • la définition actuelle du kelvin soit supprimée.
  • la définition actuelle de la mole soit corrigée.

Ces changements auront pour effet de redéfinir les unités de base du SI en laissant les définitions des unités dérivées inchangées.

Changements proposés aux unités de base[modifier | modifier le code]

Il est proposé que le texte de définition des unités de base soit redéfinit ou réécrit. Les définitions actuelles (2008) et proposées (2011)[10] sont données ci-dessous.

Dans les sections qui suivent, un X à la fin d'un nombre signifie que le dernier chiffre n’est pas encore approuvé.

Relations entre les définitions proposées des unités de base du SI (en couleur) et avec les sept constantes fondamentales (en gris) qui fixent les valeurs numériques dans le système proposé.

Seconde[modifier | modifier le code]

La définition proposée est la même que la définition actuelle, la seule différence étant que les conditions dans lesquelles sont faites les mesures sont plus rigoureuses.

  • Définition actuelle : 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[15].
  • Définition proposée : La seconde, s, est l'unité de durée ; sa valeur est définie en fixant la valeur du nombre de 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 à exactement 9 192 631 770 quand elle est exprimée en s−1.

Mètre[modifier | modifier le code]

La définition proposée est la même que la définition actuelle, la seule différence est que le durcissement de la définition de la seconde se propage au mètre.

  • Définition actuelle : Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde.[16]
  • Définition proposée : Le mètre, m, est l'unité de longueur ; sa valeur est définie en fixant la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide à exactement 299 792 458 quand elle est exprimée en m⋅s-1.

Kilogramme[modifier | modifier le code]

La définition du kilogramme change fondamentalement ; la définition actuelle définit le kilogramme comme étant la masse d'un kilogramme prototype, la nouvelle définition le relie à l'équivalence en énergie d'un photon à travers la constante de Planck.

  • Définition actuelle : Le kilogramme est la masse du prototype international du kilogramme. Ce dernier, composé d'un alliage de platine et d'iridium (90 %-10 %), est conservé au Bureau international des poids et mesures à Sèvres, en France[17].
  • Définition proposée : Le kilogramme, kg, est l'unité de masse ; sa valeur est définie en fixant la valeur numérique de la constante de Planck à exactement 6,626 06×10-34 quand elle est exprimée en s-1⋅m2⋅kg, ce qui correspond à des J⋅s.

Une des conséquences est que le kilogramme devient dépendant des définitions de la seconde et du mètre.

Ampère[modifier | modifier le code]

La définition de l'ampère change fondamentalement ; la définition actuelle, qui est difficile à obtenir avec une grande précision par l'expérience, est remplacée par une définition plus intuitive et plus facile à obtenir en pratique.

  • Définition actuelle : L'ampère est l'intensité d'un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de un mètre l'un de l'autre dans le vide produirait entre ces conducteurs une force égale à 2×10−7 newton par mètre de longueur[18].
  • Définition proposée : L'ampère, A, est l'unité du courant électrique ; sa valeur est définie en fixant la valeur numérique de la charge élémentaire à exactement 1,602 17X×10-19 quand elle est exprimée en A⋅s, ce qui correspond à des C.

Une des conséquences est que l’ampère ne dépend plus des définitions du mètre ou du kilogramme. De plus, en donnant à la charge élémentaire une valeur exacte, la perméabilité du vide, la permittivité du vide et l'impédance du vide, qui sont actuellement avec la vitesse de la lumière exactes, auront une marge d'erreur expérimentale.

Kelvin[modifier | modifier le code]

La définition du Kelvin change fondamentalement. Au lieu de se baser sur les changements d'état de l’eau pour définir l’échelle, la recommandation propose de se baser sur l'énergie équivalent comme donnée par l'équation de Boltzmann.

  • Définition actuelle : Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.[19]
  • Définition proposée : Le kelvin, K, est l'unité thermodynamique de température ; sa valeur est définie en fixant la valeur numérique de la constante de Boltzmann à exactement 1,380 65X×10-23 quand elle est exprimée en s-2⋅m2⋅kg⋅K-1, ce qui correspond à des J⋅K-1.

Le kelvin devient dépendant des définitions de la seconde, du mètre et du kilogramme.

Mole[modifier | modifier le code]

La définition actuelle de la mole est liée à celle du kilogramme. La définition proposée annulera ce lien en faisant de la mole un nombre spécifique d'entité de la substance en question.

  • Définition actuelle : 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[20].
  • Définition proposée : La mole, mol, est l'unité de quantité de matière d'une entité élémentaire spécifique, qui peut être un atome, une molécule, un ion, un électron ou n'importe quelle autre particule ou groupe particulier de ces particules ; sa valeur est définie en fixant la valeur numérique du nombre d'Avogadro a exactement 6,022 14X×1023 quand elle est exprimée en mol-1.

Une des conséquences est que la relation entre la masse de l'atome de 12C, le dalton, le kilogramme et le nombre d'Avogadro n'est plus valide. Une des propositions suivante doit changer :

  • la masse de l'atome de 12C n'est plus égale à exactement 12 daltons ;
  • le dalton lui-même ; ce changement modifierait la masse de tous les atomes exceptée celle du 12C ;
  • le nombre d'atomes de 12C dans 12 grammes ou 0,012 kilogramme qui vaut actuellement, par définition, NA.

Candela[modifier | modifier le code]

La définition proposée est la même que celle utilisée actuellement mais reformulée.

  • Définition actuelle : 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.[21]
  • Définition proposée : La candela, cd, est l'unité d'intensité lumineuse dans une direction donnée ; sa valeur est définie en fixant la valeur numérique de l'intensité énergétique d'un rayonnement monochromatique de fréquence 540×1012 s-1 (hertz) à exactement 683 quand elle est exprimée en s3⋅m-2⋅kg-1⋅cd⋅sr, ou cd⋅sr⋅W-1, ce qui correspond à des lm⋅W-1.

Impact sur la reproductibilité[modifier | modifier le code]

Le tableau suivant liste les améliorations [10],[22]:

Incertitude relative de diverses mesures physiques
Unité Constante utilisée
comme référence
Symboles Définition
actuelle
Définition
proposée
kg Masse du kilogramme prototype m(K) exacte 5,0×10-8
Constante de Planck h 5,0×10-8 exacte
A Constante magnétique μ0 exacte 6,9×10-10
Charge élémentaire e 2,5×10-8 exact
K Température du point triple de l'eau TTPW exacte 1,7×10-6
Constante de Boltzmann k 1,7×10-6 exacte
mol Masse molaire du 12C M(12C) exacte 1,4×10-9
Nombre d'Avogadro NA 1,4×10-9 exacte

L'incertitude relative de la mesure de la seconde reste 1×10-14 et celle du mètre est toujours 2,5×10-8[23].

Critiques des propositions[modifier | modifier le code]

Price[24] affirme que ces propositions :

  • causeront la confusion car ces définitions basées sur des constantes ne relient pas les unités à un exemple de sa quantité ;
  • risqueront de causer des dommages à la science car la définition circulaire des unités rendra impossible la détection future de changements dans les constantes fondamentales ;
  • causeront des dommages économiques à cause de l'augmentation des coûts et des barrières au commerce international.

Leonard[25] affirme que « le concept fondamental de la mole requiert que le nombre d'entité comprenant une mole, c'est-à-dire le nombre d'Avogadro, soit exactement égal au ratio masse gramme-dalton et que ces propositions cassent cette condition en définissant indépendamment le kilogramme, le dalton et la mole. »

Pavese[26] affirme que de nombreux points doivent être compris avant de changer les définitions, par exemple la nature du comptage et la valeur du nombre d'Avogadro, la perte du concept d'unité de base, la possibilité de vérifier de futurs changements pour les constantes fondamentales et le passage à l'unité de l'incertitude expérimentale.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b (en) « On the possible future revision of the International System of Units, the SI : Resolution 1 of 24th meeting of the General Conference on Weights and Measures », CIPM, Sèvres, France, International Bureau for Weights and Measures,‎ 21 octobre 2011 (lire en ligne) On ne s'attend pas à ce que ces propositions soient adoptées sans que certaines conditions préalables sont remplies, et en tout cas pas avant 2014. Voir (en) « Possible changes to the international system of units », IUPAC Wire, International Union of Pure and Applied Chemistry, vol. 34, no 1,‎ Janvier-Février 2012 (lire en ligne)
  2. Peter Mohr, « Redefining the SI base units », sur NIST Newsletter, NIST,‎ 2 novembre 2011 (consulté en 1er mars 2012)
  3. Michael Kuehne, « Redefinition of the SI », sur Keynote address, ITS9 (Ninth International Temperature Symposium), Los Angeles, NIST,‎ 5 décembre 2012 (consulté en 1er mars 2012)
  4. Ian Mills, « Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units », BIPM,‎ 27 septembre 2010 (consulté en 1er mars 2012)
  5. « CIPM: International Committee for Weights and Measures », BIPM (consulté le 03 octobre 2010)
  6. Peter Mohr, « Recent progress in fundamental constants and the International System of Units », sur Third Workshop on Precision Physics and Fundamental Physical Constants,‎ 6 décembre 2010 (consulté le 02 janvier 2011)
  7. Fischer, J. et al, « Report to the CIPM on the implications of changing the definition of the base unit kelvin »,‎ 2 mai 2007 (consulté le 02 janvier 2011)
  8. « Resolution proposal submitted to the IUPAP Assembly by Commission C2 (SUNAMCO) », International Union of Pure and Applied Physics,‎ 2008 (consulté le 08 mai 2011)
  9. Ian Mills, « On the possible future revision of the International System of Units, the SI », CCU,‎ 29 septembre 2010 (consulté en 1er janvier 2011)
  10. a, b et c Ian Mills, « Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units », CCU,‎ 29 septembre 2010 (consulté en 1er janvier 2011)
  11. « Towards the "new SI" », International Bureau of Weights and Measures (BIPM) (consulté en 20 février 2011)
  12. « On the possible future revision of the International System of Units, the SI - Draft Resolution A », International Committee for Weights and Measures (CIPM) (consulté le 04 juillet 2011)
  13. « General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram. », Sèvres, France, General Conference on Weights and Measures,‎ 23 octobre 2011 (consulté le 25 octobre 2011)
  14. (en) Peter J. Mohr, « The Quantum SI: A Possible New International System of Units », Advances in Quantum Chemistry, Academic Press, vol. 53,‎ 2008, p. 34 (ISBN 9780123739254, lire en ligne)
  15. 13e Conférence Générale des Poids et Mesures (1967-1968), Résolution 1
  16. 17e Conférence Générale des Poids et Mesures (1983), Résolution 1
  17. « 1re Conférence Générale des Poids et Mesures (1889) »
  18. « Comité International des Poids et Mesures, 1946 »
  19. « 13e Conférence Générale des Poids et Mesures (1967), Résolution 4 »
  20. « 14e Conférence Générale des Poids et Mesures (1971), Résolution 3 »
  21. « 16e Conférence Générale des Poids et Mesures (1979), Résolution 3 »
  22. Ian Mills, « A Note to the CIPM from Ian Mills, President of the CCU: Thoughts about the timing of the change from the Current SI to the New SI », CCU,‎ octobre 2010 (consulté en 1er janvier 2011)
  23. William B. Penzes, « Time Line for the Definition of the Meter » (consulté en 1er janvier 2011)
  24. (en) Gary Price, « A skeptic's review of the New SI », Accreditation and Quality Assurance : Journal for Quality, Comparability and Reliability in Chemical Measurement, vol. 16, no 3,‎ 2011, p. 121–132 (DOI 10.1007/s00769-010-0738-x)
  25. (en) B. P. Leonard, « Comments on recent proposals for redefining the mole and kilogram », Metrologia, vol. 47, no 3,‎ 2010, p. L5–L8 (DOI 10.1088/0026-1394/47/3/L01)
  26. (en) Franco Pavese, « Some reflections on the proposed redefinition of the unit for the amount of substance and of other SI units », Accreditation and Quality Assurance : Journal for Quality, Comparability and Reliability in Chemical Measurement, vol. 16, no 3,‎ 2011, p. 161–165 (DOI 10.1007/s00769-010-0700-y)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]