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définitions révisées des unités de base du SI, adoptées à la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Un sous-comité du Comité international des poids et mesures (CIPM) a proposé une révision de la définition des unités de base du Système international.
La résolution 1 adoptée par la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) à sa 24e réunion, en 2011, prend acte de l'intention du CIPM de proposer cette révision du SI[1],[2]. Lors de la 25e CGPM, en 2014, le CIPM considère que, « malgré les progrès effectués, les données disponibles ne semblent pas encore suffisamment robustes pour que la CGPM adopte le SI révisé lors de sa 25e réunion » et encourage la poursuite des travaux jusqu’à la 26e CGPM, de 2018[3]. En 2018, ces résolutions ont été votées lors de la 26e CGPM[4].
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 la 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[5]. »
La neuvième édition de la brochure sur le SI[6] précise le détail de ces modifications.
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 unités de base du Système international sont désormais redéfinies à partir de sept constantes physiques[7] dont la valeur exacte a été fixée définitivement[8]. Cette réforme est entrée en vigueur le [9].
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 :
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 kilogramme par année dans le prototype ont pu être détectées[11]. 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[12].
Lors de la 23e réunion 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)[13]. Lors d'une rencontre du CCU à Reading, Royaume-Uni en , une résolution[14] et un projet de modification de la brochure sur le SI, qui devaient être présentés lors d'une rencontre du CIPM en , sont acceptés par principe[15]. La rencontre du CIPM d' 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. »[16] ; cependant le CIPM présente une résolution pour que les nouvelles définitions soient acceptées par principe lors de la 24e CGPM (17 au ), mais sans qu'elles soient implémentées tant que les détails n'ont pas été finalisés[17]. Cette résolution est acceptée par la conférence[1], et, de plus, le CGPM avance la date de la 25e réunion de 2015 à 2014[18].
Lors de la 25e CGPM, en 2014, le CIPM considère que, « malgré les progrès effectués, les données disponibles ne semblent pas encore suffisamment robustes pour que la CGPM adopte le SI révisé lors de sa 25e réunion » et encourage la poursuite des travaux jusqu’en 2018. L'adoption s’est faite lors de la 26e CGPM, de 2018[3].
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 »[19].
Le CCU a proposé qu'en plus de la vitesse de la lumière quatre constantes de la nature soient définies avec des valeurs exactes : la constante de Planck, la charge élémentaire, la constante de Boltzmann et la constante d'Avogadro. 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 de la vitesse de la lumière et le rendement lumineux restent inchangées.
Les sept définitions ci-dessus sont réécrites après avoir converti les unités dérivées dans leur définition (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 :
En plus, le CCU propose que :
Ces changements auront pour effet de redéfinir les unités de base du SI en laissant les définitions des unités dérivées inchangées.
Il est proposé que le texte de définition des unités de base soit redéfini ou réécrit. Les anciennes définitions (2008) et les nouvelles (2018-2019)[15] sont données ci-dessous.
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.
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.
La définition du kilogramme change fondamentalement : le kilogramme était défini comme la masse d'un prototype ; la nouvelle définition le relie à l'équivalence en énergie d'un photon, à travers la constante de Planck.
Une des conséquences est que le kilogramme devient dépendant des définitions de la seconde et du mètre.
La définition de l'ampère change fondamentalement ; la définition ancienne, 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.
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 étaient auparavant avec la vitesse de la lumière exactes, auront une marge d'erreur expérimentale.
La définition du kelvin change fondamentalement[25]. 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 équivalente comme donnée par l'équation de Boltzmann.
Le kelvin devient dépendant des définitions de la seconde, du mètre et du kilogramme.
L'ancienne définition de la mole est liée à celle du kilogramme. La définition proposée a annulé ce lien en faisant de la mole un nombre spécifique d'entité de la substance en question.
Une des conséquences est que les relations entre la masse de l'atome de 12C, l'unité de masse atomique unifiée (ou dalton), le kilogramme et le nombre d'Avogadro sont modifiées[29] :
La définition proposée est la même que celle utilisée actuellement mais reformulée.
Le tableau suivant liste les modifications[15],[32] :
| Unité | Constante utilisée comme référence |
Symbole | Ancienne définition |
Depuis le |
|---|---|---|---|---|
| kg | Masse du kilogramme prototype | m(K) | 0 | 5,0 × 10−8 |
| Constante de Planck | h | 5,0 × 10−8 | 0 | |
| A | Constante magnétique | μ0 | 0 | 6,9 × 10−10 |
| Charge élémentaire | e | 2,5 × 10−8 | 0 | |
| K | Température du point triple de l'eau | TTPW | 0 | 1,7 × 10−6 |
| Constante de Boltzmann | k | 1,7 × 10−6 | 0 | |
| mol | Masse molaire de 12C | M(12C) | 0 | 4,5 × 10−10 |
| Nombre d'Avogadro | NA | 1,4 × 10−9 | 0 |
L'incertitude relative des réalisations de la seconde est propre à chaque réalisation. Elle est couramment inférieure à 1 × 10−15, tant pour les fontaines atomiques à césium que pour les horloges optiques (voir la section 3 des circulaires T du BIPM[33]).
Gary Price[34] affirme que ces propositions :
B. P. Leonard[35] affirme que « le concept fondamental de la mole requiert que le nombre d'entités comprenant une mole, c'est-à-dire la constante 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. ».
Franco Pavese[36] 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.
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