Système SI de mesure : le guide ultime

Le système international d’unités (SI) est le système global d'unités de mesure qui fait référence dans le monde. En effet, il faut s'assurer qu'un mètre en France fasse bien un mètre au Canada ou en Chine. Le rôle du système SI de mesure vise donc à assurer une comparabilité fiable à long terme et une uniformité en tout lieu, par tous les pays, les systèmes et usages.

En remontant dans l'histoire, les premières références aux mesures sont liées au corps humain. Par exemple, la coudée était une unité représentant la longueur du coude au bout des doigts. Cette unité était utilisée par des civilisations antiques en Mésopotamie, en Égypte et à Rome et sa longueur variait de 45 à 50 centimètres selon les régions. Utilisée pendant des millénaires, on en retrouve l'esprit aujourd'hui dans le système impérial avec le yard, le pied ou le pouce.

C'est en 1791 que la France proposa l’unité du mètre. Lors de la Révolution française, le système métrique décimal voit le jour et normalise les premières grandeurs de base avec la longueur (le mètre), la masse (le kilogramme), et le temps (la seconde). Le mètre fut alors défini comme mesurant 1/10 000 000 du méridien entre le pôle Nord et l’équateur. Avec le temps, les changements d'usages et le développement technologique, la question d’une nouvelle référence s’est donc posée. C'est lors de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) de 1960 que le Système International d’unités a vu le jour.

Le développement des technologies dans le monde industriel implique le besoin d'avoir des données et des mesures qui doivent être collectées très finement. Ainsi, quand on parle de nanotechnologies ou d'informatique quantique, les professionnels travaillent avec des unités de mesure à la précision accrue dans de nouveaux champs de mesure. En 2018, sous l’égide du Comité international des poids et mesures, ce sont désormais sept unités de base du SI qui sont déterminées comme étant la base de constantes fondamentales de la nature, immuables et universelles. Indispensables aux échanges commerciaux, les unités communes permettent aux scientifiques et aux ingénieurs de parler la même langue en termes de mesures. Ainsi, un mètre dans un laboratoire de recherche à Pékin sera bien le même mètre que dans une usine de Berlin. Cette normalisation facilite la collaboration internationale et le partage d'informations clés.

Il existe trois organismes internationaux dont la mission est de maintenir le système international d'unités sous les termes de la convention du Mètre :

• la Conférence générale des poids et mesures ( CGPM) ;
• le Comité international des poids et mesures ( CIPM) ;
• le Bureau international des poids et mesures ( BIPM).

La CGPM est l'organe décisionnel de la convention du Mètre, chargé de prendre les décisions en matière de métrologie et en particulier en ce qui concerne le SI. Créée en 1875, elle rassemble des délégués des États membres de la Convention du Mètre et États associés. La conférence se réunit tous les quatre ans.

Le CIPM est constitué de 18 représentants d'États membres de la Convention du mètre. Sa principale mission consiste à promouvoir l'uniformisation mondiale des unités de mesure. Il assure cette mission par des interventions directes auprès des gouvernements ou en soumettant des propositions auprès de la CGPM.

Le BIPM est l'organisation intergouvernementale créée par la Convention du Mètre dont les États membres agissent en commun concernant les sujets liés à la science des mesures et aux étalons de mesure. Il publie le Système international d'unités (SI) et produit l'échelle de temps de référence (UTC).

1. Unité de temps : la seconde (s) est définie en prenant la valeur numérique de la fréquence du césium , ΔνCs, la fréquence de transition hyperfine de l’état fondamental de césium 133 non perturbé, égale à 9 192 631 770 lorsqu’elle est exprimée avec l’unité Hz, qui est équivalente à s–1. Sa première définition date de 1889 et est fondée sur la durée du jour terrestre divisée en 24 heures de 60 minutes de 60 secondes. La définition actuelle date de 1967. Une nouvelle définition de la seconde devrait être concrétisée d’ici à 2025** **grâce à l'évolution des technologies et des moyens de mesure.
2. Unité de longueur : le mètre (m) est défini en prenant la valeur numérique fixée de la vitesse de la lumière dans le vide c, égale à 299 792 458 lorsqu'elle est exprimée en m/s, la seconde étant définie en fonction de ΔνCs. C'est la convention du Mètre, signée le 20 mai 1875 par 17 nations, qui donne aujourd’hui ses bases au SI. Dès lors, la définition du mètre a connu plusieurs évolutions. La dernière en date nous vient de la 17e CGPM de 1983.
3. Unité de masse : le kilogramme (kg) est défini en prenant la valeur numérique fixée de la constante de Planck, h, égale à 6,626 070 15 × 10–34 lorsqu’elle est exprimée en J·s, unité égale à kg·m2·s–1, le mètre et la seconde étant définis en fonction de c et de ΔνCs. Depuis 1889 la définition de l'unité de masse était réalisée par un cylindre de platine iridié conservé au BIPM. C'est en 2005 que le CIPM a recommandé de redéfinir le kilogramme à partir d’une constante fondamentale de la nature : la constante de Planck (h), à la fois immatérielle, stable et universelle .
4. Unité de courant électrique : l'ampère (A) est défini en prenant la valeur numérique fixée de la charge élémentaire, e , égale à 1,602 176 634 × 10–19 lorsqu’elle est exprimée en C, unité égale à A·s, la seconde étant définie en fonction de ΔνCs. Introduite dans le SI comme unité de base en 1948, sa définition est restée inchangée pendant 70 ans. Depuis novembre 2018 , l’ampère est redéfini à partir d’une constante fondamentale de la nature : la charge élémentaire, notée e.
5. Unité de température thermodynamique : le kelvin (K) est défini en prenant la valeur numérique fixée de la constante de Boltzmann, k , égale à 1,380 649 × 10–23 lorsqu’elle est exprimée en J·K–1, unité égale à kg·m2·s–2·K–1, le kilogramme, le mètre et la seconde étant définis en fonction de h, c et ΔνCs. Le kelvin a été introduit dans le SI en 1954 et est défini à partir d’une propriété fondamentale d’un constituant de la matière, la température du point triple de l’eau (point unique où l’eau coexiste sous forme liquide, gazeuse et solide). Difficile à mettre en œuvre, et peu pratique pour les températures extrêmes, le kelvin a finalement été redéfini en 2018 .
6. Unité de quantité de matière : la mole (mol) contient exactement 6,022 140 76 × 1023 entités élémentaires. Ce nombre, appelé « nombre d’Avogadro » , correspond à la valeur numérique fixée de la constante d’Avogadro NA lorsqu’elle est exprimée en mol-1. Une entité élémentaire peut être un atome, une molécule, un ion, un électron ou toute autre particule ou groupement spécifié de particules. La mole est la dernière des sept unités de base à avoir été intégrée au SI en 1971. Définie à partir du nombre d’atomes que contiennent 12 grammes de carbone 12, sa définition change en novembre 2018 . Lors de la 26e CGPM , la mole va être redéfinie à partir de la valeur numérique fixée de la constante d’Avogadro.
7. Unité d'intensité lumineuse : la candela (cd) est l'unité d'intensité lumineuse dans une direction donnée. Elle est définie en prenant la valeur numérique fixée de l’efficacité lumineuse d’un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 1012 Hz, Kcd, égale à 683 lorsqu’elle est exprimée en lm·W–1, unité égale à cd·sr·W-1, ou kg-1·m-2·s3·cd·sr, le kilogramme, le mètre et la seconde définis en fonction de h, c et ΔνCs. La candela est introduite dans le SI en 1954 lors de la 10e CGPM, en même temps que l’ampère et le kelvin. Sa définition change en 1967, puis en 1979 , lorsque la 16e CGPM adopte une nouvelle définition de la candela liée à une unité énergétique qui permet de rompre le lien à la température de fusion du platine.

À partir des 7 unités de base du SI, il existe des unités dérivées qui se déduisent des unités de base tout en faisant partie de ce système d'unités. C'est, par exemple, le cas de la fréquence, la puissance, la capacité électrique, la température Celsius, le flux lumineux, l'activité radioactive, la masse volumique et le moment cinétique. En combinant les unités de base du SI, il est ainsi possible de déterminer des unités dérivées tout aussi précises et normalisées que les unités de base.

Les préfixes du système international d'unités simplifient la manipulation des valeurs numériques de grandeurs physiques qui sont beaucoup plus petites ou beaucoup plus grandes que l'unité officielle. Ces préfixes désignent des multiples ou des fractions de 10 ou de 1 000. C'est, par exemple le cas des exemples suivants :

• Méga (symbole M) : 1 × 106, soit 1 000 000.
• Kilo (symbole k) : 1 × 103, soit 1 000.
• Centi (symbole c) : 1 × 10-2, soit 0,01.
• Milli (symbole m) : 1 × 10-3, soit 0,001.

Le système SI de mesure est un système évolutif qui reflète les meilleures pratiques en matière de mesure du moment. C'est grâce à lui qu'il est possible de normaliser, étalonner et mesurer avec précision. S'il est internationalement reconnu, il faut noter que seuls trois pays dans le monde ne l'ont pas officiellement adopté : les États-Unis, le Liberia et la Birmanie. Néanmoins, pour les États-Unis, le système de mesure SI est de plus en plus répandu parmi les scientifiques, la médecine, le gouvernement, et plusieurs secteurs de l'industrie, même s'il n'est pas utilisé dans la vie courante.