Utilisateur:Roland45/Brouillon9

Traduction non relue ni corrigée de l'article anglais History of the metric system

Unités couramment utilisées par pays en 2019

L'histoire du système métrique a commencé pendant le siècle des Lumières avec des mesures de longueur et de poids dérivées de la nature, ainsi que leurs multiples et fractions décimales. Ce système est devenu la norme en France et en Europe en moins d'un demi-siècle. D'autres mesures avec des rapports d'unité ont été ajoutées, et le système a ensuite été adopté dans le monde entier. La première mise en œuvre pratique du système métrique a eu lieu en 1799, pendant la Révolution française, après que le système de mesures existant soit devenu impraticable pour le commerce et ait été remplacé par un système décimal basé sur le kilogramme et le mètre. Les unités de base ont été tirées du monde naturel. L'unité de longueur, le mètre, était basée sur les dimensions de la Terre, et l'unité de masse, le kilogramme, était basée sur la masse d'un volume d'eau d'un litre (un décimètre cube). Des exemplaires de référence pour ces deux unités ont été fabriqués en platine et sont restés les étalons de mesure pendant les 90 années suivantes. Après une période de retour aux « mesures usuelles » en raison de l'impopularité du système métrique, la métrication de la France et d'une grande partie de l'Europe a été achevée dans les années 1850. Au milieu du XIXe siècle, James Clerk Maxwell a conçu un système cohérent dans lequel un petit nombre d'unités de mesure étaient définies comme unités de base, et toutes les autres unités de mesure, appelées unités dérivées, étaient définies en fonction des unités de base. Maxwell a proposé trois unités de base pour la longueur, la masse et le temps. Les progrès de l'électromagnétisme au XIXe siècle ont nécessité la définition d'unités supplémentaires, et plusieurs systèmes incompatibles ont été utilisés, aucun ne pouvant être concilié avec le système dimensionnel existant. L'impasse a été résolue par Giovanni Giorgi, qui a prouvé en 1901 qu'un système cohérent intégrant les unités électromagnétiques nécessitait une quatrième unité de base, celle de l'électromagnétisme. Le Traité du Mètre de 1875, qui fit date, aboutit à la fabrication et à la distribution d'artefacts représentant le mètre et le kilogramme, les étalons du futur système cohérent qui devint le SI, et à la création d'un organisme international, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM), chargé de superviser les systèmes de poids et mesures basés sur ces étalons. En 1960, la CGPM a lancé le Système international d'unités (SI) avec six « unités de base » : le mètre, le kilogramme, la seconde, l'ampère, le kelvin (degré Kelvin, rebaptisé « kelvin » par la suite) et la candela, auxquelles s'ajoutent 16 autres unités dérivées des unités de base. Une septième unité de base, la mole, et six autres unités dérivées ont été ajoutées plus tard au cours du XXe siècle. Au cours de cette période, le mètre a été redéfini en fonction de la vitesse de la lumière, et la seconde a été redéfinie sur la base de la fréquence micro-ondes d'une horloge atomique au césium. En raison de l'instabilité du prototype international du kilogramme, une série d'initiatives ont été prises à partir de la fin du XXe siècle pour redéfinir l'ampère, le kilogramme, la mole et le kelvin en fonction de constantes physiques invariables, ce qui a finalement abouti à la révision 2019 du SI, qui a définitivement supprimé le besoin de tout artefact de référence physique, permettant notamment le retrait du kilogramme étalon. On trouve une trace éphémère d'un ancien système décimal ou métrique dans la règle de Mohenjo-Daro, qui utilise une longueur de base de 1,32  ( mm) et est divisée très précisément avec des marques décimales. Les briques de cette période sont conformes à cette unité, mais cette utilisation ne semble pas avoir survécu, car les systèmes ultérieurs en Inde ne sont pas métriques et utilisent des divisions en huitièmes, douzièmes et seizièmes.

L'âge des Lumières

Les aspects fondamentaux des mathématiques, associés à une meilleure compréhension du monde naturel pendant le siècle des Lumières, ont préparé le terrain pour l'émergence, à la fin du XVIIIe siècle, d'un système de mesure avec des unités rationnellement liées et des règles pour les combiner.

Préambule

Au début du IXe siècle, alors qu'une grande partie de ce qui allait devenir le Saint-Empire romain germanique faisait partie de la France, les unités de mesure avaient été normalisées par l'empereur Charlemagne. Il avait introduit des unités de mesure standard pour la longueur et la masse dans tout son empire. À mesure que l'empire s'est désintégré en nations distinctes, dont la France, ces normes ont divergé. En Angleterre, la Magna Carta (1215) stipulait qu'« il y aura des mesures standard pour le vin, la bière et le blé (le quart de Londres) dans tout le royaume. Il y aura également une largeur standard pour les tissus teints, le roux et le haberject, à savoir deux aunes entre les lisières. Les poids seront normalisés de la même manière. »

Au début du Moyen Âge, les chiffres romains étaient utilisés en Europe pour représenter les nombres, mais les Arabes représentaient les nombres à l'aide du système numérique hindou, une notation positionnelle qui utilisait dix symboles. Vers 1202, Fibonacci publia son ouvrage “”Liber Abaci“” (Livre du calcul), qui introduisit le concept de notation positionnelle en Europe. Ces symboles ont évolué pour devenir les chiffres « 0 », « 1 », « 2 », etc. À cette époque, il existait un débat sur la différence entre les nombres rationnels et les nombres irrationnels et il n'y avait aucune cohérence dans la manière dont les fractions décimales étaient représentées.

Simon Stevin est considéré comme celui qui a introduit le système décimal dans l'usage général en Europe. En 1586, il publia un petit pamphlet intitulé « De Thiende » (« le dixième ») que les historiens considèrent comme le fondement de la notation moderne des fractions décimales. Stevin estimait que cette innovation était si importante qu'il déclara que l'introduction universelle de la monnaie, des mesures et des poids décimaux n'était qu'une question de temps.

Mesures corporelles et artefacts

Depuis l'époque de Charlemagne, la norme de longueur était une mesure du corps, celle de la distance entre le bout des doigts des bras tendus d'un homme de grande taille, issue d'une famille de mesures corporelles appelées « brasses », utilisées à l'origine, entre autres, pour mesurer la profondeur de l'eau. Un artefact représentant cette unité standard a été coulé dans le matériau le plus durable disponible au Moyen Âge, une barre de fer ^{[citation nécessaire]}. Les problèmes liés à un artefact non reproductible sont apparus au fil des siècles : il a rouillé, a été volé, enfoncé dans un mur jusqu'à se tordre et a parfois été perdu. Lorsqu'une nouvelle norme royale a dû être coulée, elle était différente de l'ancienne, de sorte que des répliques des anciennes et des nouvelles ont vu le jour et ont été utilisées. L'artefact a existé jusqu'au XVIIIe siècle et était appelé « teise », puis « toise » (du latin « tense » : tendu (bras)). Cela conduisit au XVIIIe siècle à la recherche d'une norme reproductible basée sur une mesure invariante du monde naturel.

Horloges et pendules

En 1656, le scientifique néerlandais Christiaan Huygens inventa l'horloge à pendule, dont le pendule marquait les secondes. Cela donna lieu à des propositions visant à utiliser sa longueur comme unité standard. Mais il devint évident que la longueur des pendules des horloges calibrées à différents endroits variait (en raison des variations locales de l'accélération due à la gravité), et que ce n'était pas une bonne solution. Il fallait une norme plus uniforme.

En 1670, Gabriel Mouton, abbé et astronome français, publia le livre « Observationes diametrorum solis et lunae apparentium » (« Observations des diamètres apparents du Soleil et de la Lune ») dans lequel il proposait un système décimal de mesure de la longueur à utiliser par les scientifiques dans les communications internationales, basé sur les dimensions de la Terre. Le « milliare » serait défini comme une minute d'arc le long d'un méridien (tel que le méridien de Paris) et serait divisé en 10 centuria, la centuria en 10 decuria, et ainsi de suite, les unités successives étant la virga, la virgula, la decima, la centesima et la millesima. Mouton a utilisé l'estimation de Riccioli selon laquelle un degré d'arc correspondait à 321 185 pieds bolognais. Les expériences de Mouton ont montré qu'un pendule d'une longueur d'une virgula effectuait 3959,2 battements en une demi-heure. Les idées de Mouton suscitèrent un vif intérêt à l'époque ; Picard dans son ouvrage “'Mesure de la Terre”' (1671) et Huygens dans son ouvrage “'Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum”' (« Des horloges oscillantes, ou du mouvement des pendules », 1673) proposèrent tous deux qu'une unité de longueur standard soit liée à la fréquence de battement d'un pendule.

Forme et taille de la Terre

Depuis au moins le Moyen Âge, la Terre était perçue comme éternelle, immuable et de forme symétrique (proche d'une sphère), il était donc naturel que certaines mesures fractionnaires de sa surface soient proposées comme étalon de longueur. Mais il fallait d'abord obtenir des informations scientifiques sur la forme et la taille de la Terre. Un degré d'arc correspondrait à 60 minutes d'arc à l'équateur ; un milliare correspondrait à une minute d'arc, soit 1 mille nautique, donc 60 milles nautiques correspondraient à un degré d'arc à la surface de la Terre, considérée comme une sphère. Ainsi, la circonférence de la Terre en milles marins serait de 21 600 (soit 60 minutes d'arc × 360 degrés en quatre quadrants de 90 degrés, un quadrant étant la longueur du quart de cercle allant du pôle Nord à l'équateur).

En 1669, Jean Picard, astronome français, fut le premier à mesurer la Terre avec précision. Dans une étude couvrant un degré de latitude, son erreur n'était que de 0,44 % (Mesure de l'arc de Picard).

Dans “”Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica“” (1686), Isaac Newton a donné une explication théorique au « renflement de l'équateur » : qui expliquait également les différences constatées dans les longueurs des « seconds pendules », qui ont été confirmées par la Mission géodésique française au Pérou menée par l'Académie des sciences de France en 1735.

Fin du XVIIIe siècle : conflits et lassitude

James Watt, inventeur britannique et défenseur d'un système international de mesures décimalisé

Au milieu du XVIIIe siècle, il était devenu évident qu'il était nécessaire d'uniformiser les poids et mesures entre les nations qui commerçaient et échangeaient des idées scientifiques entre elles. L'Espagne, par exemple, avait aligné ses unités de mesure sur les unités royales françaises et Pierre le Grand ont aligné les unités de mesure russes sur celles de l'Angleterre. En 1783, l'inventeur britannique James Watt, qui avait des difficultés à communiquer avec les scientifiques allemands, a appelé à la création d'un système de mesure décimal mondial, proposant un système qui utilisait la densité de l'eau pour relier la longueur et la masse, et, en 1788, le chimiste français Antoine Lavoisier commanda un ensemble de neuf cylindres en laiton (une livre [française] et ses subdivisions décimales) pour ses travaux expérimentaux.

En 1790, une proposition présentée par la France à la Grande-Bretagne et aux États-Unis visant à établir une mesure de longueur uniforme, le « mètre », basée sur la période d'un pendule battant à une seconde, fut rejetée par le Parlement britannique et le Congrès américain. Le problème sous-jacent était l'impossibilité de s'entendre sur la latitude à utiliser pour la définition, car l'accélération gravitationnelle, et donc la longueur du pendule, varie (entre autres) avec la latitude : chaque partie voulait une définition basée sur une latitude importante passant par son propre pays. Les conséquences directes de cet échec ont été le développement et le déploiement unilatéraux du système métrique par la France et sa diffusion par le commerce sur le continent, l'adoption par la Grande-Bretagne du système impérial de mesures dans tout le royaume en 1824 et le maintien par les États-Unis du système de mesures commun britannique en vigueur au moment de l'indépendance des colonies. Cette situation s'est maintenue pendant près de 200 ans.

Mise en œuvre dans la France révolutionnaire

Poids et mesures de l'Ancien Régime

Modèle:Further On estime qu'à la veille de la Révolution, en 1789, les quelque huit cents unités de mesure en usage en France avaient jusqu'à un quart de million de définitions différentes, car la quantité associée à chaque unité pouvait varier d'une ville à l'autre, voire d'un commerce à l'autre. Bien que certaines normes, telles que le « pied du roi », aient eu une certaine prééminence et aient été utilisées par les scientifiques, de nombreux commerçants ont choisi d'utiliser leurs propres instruments de mesure, ce qui a donné lieu à des fraudes et a entravé le commerce et l'industrie. Ces variations ont été encouragées par des intérêts locaux, mais ont entravé le commerce et la fiscalité.

Unités de poids et de longueur

[[File:Nicolas de Condorcet.PNG|upright|left|thumb|Le marquis de Condorcet – figure emblématique française du système métrique au XVIIIe siècle Au cours de l'année suivante, après avoir étudié diverses alternatives, le comité a formulé une série de recommandations concernant un nouveau système de poids et mesures, notamment qu'il devrait avoir une base décimale, que l'unité de longueur devrait être basée sur un arc fractionnaire d'un quadrant du méridien terrestre et que l'unité de poids devrait être celle d'un cube d'eau dont la dimension serait une fraction décimale de l'unité de longueur. Les propositions ont été acceptées par l'Assemblée française le 30 mars 1791.

Après acceptation, l'Académie des sciences fut chargée de mettre en œuvre les propositions. L'Académie divisa les tâches en cinq opérations, attribuant chaque partie à un groupe de travail distinct :

• Mesurer la différence de latitude entre Dunkerque et Barcelone et trianguler entre ces deux points
• Mesurer les lignes de base utilisées pour le levé
• Vérifier la longueur du deuxième pendule à 45° de latitude.
• Vérifier le poids dans le vide d'un volume donné d'eau distillée.
• Publier des tables de conversion reliant les nouvelles unités de mesure aux unités de mesure existantes.

Le comité a décidé que la nouvelle mesure de longueur serait égale à un dix-millionième de la distance entre le pôle Nord et l'équateur (quadrant terrestre), mesurée le long du méridien de Paris.

À partir des relevés de Jean Picard en 1670 et de Jacques Cassini en 1718, une valeur provisoire de 443,44 “”lignes fut attribuée au mètre, qui définit à son tour les autres unités de mesure.

Alors que Méchain et Delambre achevaient leur relevé, la commission avait commandé une série de lingots de platine basés sur le mètre provisoire. Une fois le résultat final connu, le lingot dont la longueur était la plus proche de la définition méridionale du mètre serait sélectionné.

Après 1792, le nom de l'unité de masse définie à l'origine, « gramme », qui était trop petite pour être utilisée dans la pratique à de nombreuses fins, a été adopté, et le nouveau préfixe « kilo » lui a été ajouté pour former le nom « kilogramme ». Par conséquent, le kilogramme est la seule unité de base du SI qui comporte un préfixe SI dans son nom. Un étalon provisoire du kilogramme a été fabriqué et des travaux ont été commandés pour déterminer la masse précise d'un décimètre cube (qui sera plus tard défini comme égal à un litre) d'eau. La réglementation du commerce et des échanges exigeait une « réalisation pratique » : un étalon de référence métallique en une seule pièce, mille fois plus massif, qui serait connu sous le nom de « grave ». Cette unité de masse définie par Lavoisier et René Just Haüy était utilisée depuis 1793. Cette nouvelle réalisation pratique allait finalement devenir l'unité de base de la masse. Le 7 avril 1795, le « gramme », sur lequel est basé le kilogramme, fut décrété égal au « poids absolu d'un volume d'eau pure égal à un cube de centimètre cube, à la température de la glace fondante ». Bien que la définition du « kilogramme » spécifiait l'eau à 0 °C, un point de température très stable, elle fut remplacée par la température à laquelle l'eau atteint sa densité maximale. Cette température, environ 4 °C, n'était pas connue avec précision, mais l'un des avantages de la nouvelle définition était que la valeur Celsius précise de la température n'avait en réalité pas d'importance. « L'Histoire Du Mètre, La Détermination De L'Unité De Poids », sur histoire.du.metre.free.fr (consulté le 12 août 2022)</ref></ref> C'est un fait mathématique général : si une fonction “'f”'(•) d'une variable “'x”' est suffisamment exempte de discontinuités, alors, si l'on trace “'f”' en fonction de “'x”', et que l'on considère un point (“'x”'_max, “'f”'(“'x”'_max)) où “'f”' a un « pic » (c'est-à-dire que “'f”' diminue quelle que soit la valeur de “'x”' est légèrement supérieur ou inférieur à “'x”'_max), on constate que “'f”' est « plate » en “'x”'_max — la tangente à ce point est horizontale, donc la pente de “'f”' en “'x”'_max est nulle. C'est pourquoi “'f”' change peu par rapport à sa valeur maximale si “'x”' est légèrement différent de “'x”'_max. La conclusion finale était qu'un décimètre cube d'eau à sa densité maximale était égal à 99,92072 % de la masse du kilogramme provisoire.

Le 7 avril 1795, le système métrique a été officiellement défini dans la loi française. Il définissait six nouvelles unités décimales :

• Le « mètre », pour la longueur, défini comme le dix millionième de la distance entre le pôle Nord et l'équateur passant par Paris
• L'« are » (100 m²) pour la superficie [des terres]
• Le « stère » (1 m3) pour le volume de bois de chauffage
• Le « litre » (1 dm3) pour le volume des liquides
• Le « gramme », pour la masse, défini comme la masse d'un centimètre cube d'eau
• Le « franc » pour la monnaie.

« Note historique : seuls le mètre et le kilogramme définis ici ont été intégrés dans les systèmes métriques ultérieurs. Les litres et, dans une moindre mesure, les hectares (100 ares, ou 1 hm²) sont toujours utilisés, mais ne sont pas des unités SI. »

Les multiples décimaux de ces unités ont été définis par des préfixes grecs : « myria- » (10 000), « kilo- » (1 000), « hecto- » (100) et « deka- » (10) et les sous-multiples ont été définis par les préfixes latins « deci- » (0,1), « centi- » (0,01) et « milli- » (0,001).

À des fins commerciales, les unités et les unités préfixées de poids (masse) et de capacité (volume) pouvaient être précédées des multiplicateurs binaires « double » (2) et « demi- » (¹⁄₂), comme dans « double-litre », « demi-litre » ; ou « double-hectogramme », « demi-hectogramme », etc.

Le projet de définitions de 1795 a permis de construire des exemplaires provisoires du kilogramme et du mètre.

Levé méridional

Les sections nord et sud du levé méridional se rejoignent à la cathédrale de Rodez, qui domine ici le paysage urbain de Rodez.

La tâche de mesurer l'arc méridional, qui devait prendre deux ans, fut confiée à Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre. Elle dura finalement plus de six ans (1792-1798), en raison non seulement de difficultés techniques imprévues, mais aussi de la période troublée qui suivit la Révolution. Outre les considérations nationalistes évidentes, le méridien de Paris était également un choix judicieux pour des raisons scientifiques pratiques : une partie du quadrant, de Dunkerque à Barcelone (environ 1 000 km, soit un dixième du total), pouvait être mesurée avec des points de départ et d'arrivée au niveau de la mer, et cette partie se trouvait à peu près au milieu du quadrant, où les effets de l'aplatissement de la Terre devaient être les plus importants.

Le projet fut divisé en deux parties : la section nord de 742,7 km, du Beffroi de Dunkerque à la cathédrale de Rodez, qui fut mesurée par Delambre, et la section sud de 333 km, de Rodez à la forteresse de Montjuïc, à Barcelone qui a été arpentée par Méchain.

Le méridien de Paris qui passe par l'Observatoire de Paris. Le mètre a été défini le long de ce méridien à l'aide d'un levé qui s'étendait de Dunkerque à Barcelone.

Delambre utilisa comme base une ligne droite d'environ 10 km de long, située près de Melun. Au cours d'une opération qui dura six semaines, la base fut mesurée avec précision à l'aide de quatre tiges de platine, chacune d'une longueur de deux “'toises”' (environ 3,9 m). Il utilisa ensuite, dans la mesure du possible, les points de triangulation utilisés par Cassini dans son relevé de la France en 1744. La ligne de base de Méchain, d'une longueur similaire et également située sur un tronçon de route rectiligne, se trouvait dans la région de Perpignan. Bien que le secteur de Méchain fût deux fois moins long que celui de Delambre, il comprenait les Pyrénées et des parties de l'Espagne qui n'avaient pas encore été arpentées. Après leur rencontre, les deux géomètres calculèrent la ligne de base de l'autre afin de vérifier leurs résultats, puis ils recalculèrent le mètre, qui fut fixé à 443.296 « lignes », nettement plus courte que la valeur provisoire de 443,44 « lignes » de 1795. Le 15 novembre 1798, Delambre et Méchain rentrèrent à Paris avec leurs données, après avoir terminé leur relevé. La valeur définitive du « mètre » fut fixée en 1799 comme étant la valeur calculée à partir du relevé.

« Note historique : » Il est rapidement apparu que le résultat de Méchain et Delambre (443,296 « lignes ») était légèrement trop court pour la définition méridionale du mètre. Méchain avait commis une petite erreur dans la mesure de la latitude de Barcelone, il la remit donc en mesure, mais garda secrète la deuxième série de mesures.

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Le système métrique français

En juin 1799, des prototypes en platine ont été fabriqués selon les quantités mesurées, le « mètre des archives » étant défini comme une longueur de 443,296 lignes, et le « kilogramme des archives » comme un poids de 18827.15 grains de la « livre poids de marc », et enregistré aux Archives nationales françaises. En décembre de la même année, le système métrique basé sur ces mesures est devenu par la loi le seul système de poids et mesures en France de 1801 à 1812.

Malgré la loi, la population continua à utiliser les anciennes mesures. En 1812, Napoléon abrogea la loi et en promulgua une nouvelle, appelée « mesures usuelles », qui rétablissait les noms et les quantités des mesures coutumières, mais les redéfinissait comme des multiples arrondis des unités métriques, ce qui en faisait une sorte de système hybride. En 1837, après l'effondrement de l'Empire napoléonien, la nouvelle Assemblée réinstaura le système métrique défini par les lois de 1795 et 1799, qui entra en vigueur en 1840. La métrication de la France ne fut achevée qu'en 1858 environ. Certaines des anciennes unités, en particulier la « livre », à l'origine une unité de masse dérivée de la « libra » romaine (tout comme la « livre » anglaise), mais qui signifie aujourd'hui 500 grammes, sont encore utilisées aujourd'hui.

Développement de systèmes métriques non cohérents

Au début du XIXe siècle, les artefacts de l'Académie des sciences française pour la longueur et la masse étaient les seules unités naissantes du système métrique définies en termes de normes formelles. Les autres unités basées sur celles-ci, à l'exception du « litre », se sont avérées éphémères. Les pendules capables de mesurer le temps en secondes étaient utilisées depuis environ 150 ans, mais leur géométrie dépendait de la latitude et de l'altitude, il n'existait donc pas de norme en matière de mesure du temps. De même, aucune unité de temps n'était reconnue comme unité de base essentielle pour dériver des grandeurs telles que la force et l'accélération. Certaines grandeurs électriques, telles que la charge et le potentiel, avaient été identifiées, mais les noms et les relations entre les unités n'étaient pas encore établis. Il existait deux échelles de température, l'échelle Fahrenheit (vers 1724) et l'échelle Celsius (vers 1742), ainsi que divers instruments pour mesurer les unités ou les degrés de ces échelles. Le modèle d'unités de base/dérivées du SI n'avait pas encore été élaboré, et on ne savait pas combien de quantités physiques pouvaient être interreliées.

Un modèle d'unités interreliées a été proposé pour la première fois en 1861 par la British Association for the Advancement of Science (BAAS) sur la base de ce qui allait être appelé les unités « mécaniques » (longueur, masse et temps). Au cours des décennies suivantes, cette base a permis de corréler les unités mécaniques, électriques et thermiquesModèle:When.

Temps

En 1832, le mathématicien allemand Carl-Friedrich Gauss a effectué les premières mesures absolues du champ magnétique terrestre à l'aide d'un système décimal basé sur l'utilisation du millimètre, du milligramme et de la seconde comme unité de base du temps. La seconde de Gauss était basée sur des observations astronomiques de la rotation de la Terre et correspondait à la seconde sexagésimale des anciens : une division du jour solaire en deux cycles de 12 périodes, chaque période étant divisée en 60 intervalles, et chaque intervalle étant à son tour divisé, de sorte qu'une seconde représentait 1/86 400e du jour. Cela a effectivement établi la dimension temporelle comme élément constitutif indispensable de tout système de mesure utile, et la seconde astronomique comme unité de base.

Travail et énergie

Appareil de Joule pour mesurer l'équivalent mécanique de la chaleur. Lorsque le poids tombait, l'énergie potentielle était transférée à l'eau, la réchauffant.

Dans un article publié en 1843, James Prescott Joule a démontré pour la première fois un moyen de mesurer l'énergie transférée entre différents systèmes lorsqu'un travail est effectué, reliant ainsi la calorie de Nicolas Clément, définie en 1824 comme « la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 kg d'eau de 0 à 1 °C à une pression de 1 atmosphère », au travail mécanique. L'énergie est devenue le concept unificateur de la science du XIXe siècle, en réunissant d'abord la thermodynamique et la mécanique, puis en y ajoutant la technologie électrique.

Le premier système métrique structuré : le CGS

En 1861, un comité de la British Association for the Advancement of Science (BAAS), composé notamment de William Thomson (plus tard Lord Kelvin), James Clerk Maxwell et James Prescott Joule, fut chargé d'étudier les « normes de résistance électrique ».^[pas clair] Dans leur premier rapport (1862), ils ont établi les règles de base de leur travail : le système métrique devait être utilisé, les mesures d'énergie électrique devaient avoir les mêmes unités que les mesures d'énergie mécanique, et deux ensembles d'unités électromagnétiques devaient être dérivés : un système électromagnétique et un système électrostatique. Dans le deuxième rapport (1863), ils ont introduit le concept d'un système cohérent d'unités dans lequel les unités de longueur, de masse et de temps ont été identifiées comme « unités fondamentales » (aujourd'hui connues sous le nom d'« unités de base du SI »). Toutes les autres unités de mesure pouvaient être dérivées (d'où le nom d'« unités dérivées du SI ») de ces unités de base. Le mètre, le gramme et la seconde ont été choisis comme unités de base.

En 1861, avantModèle:Clarifier une réunion de la BAAS, Charles Bright et Latimer Clark proposèrent les noms ohm, volt et farad en l'honneur de Georg Ohm, Alessandro Volta et Michael Faraday respectivement pour les unités pratiques basées sur le système absolu CGS. Cette proposition fut soutenue par Thomson (Lord Kelvin). Le concept consistant à donner aux unités de mesure le nom de scientifiques éminents a ensuite été utilisé pour d'autres unités.

En 1873, un autre comité de la BAAS (qui comprenait également Maxwell et Thomson) chargé de « la sélection et la nomenclature des unités dynamiques et électriques » a recommandé l'utilisation du système d'unités cgs. Le comité a également recommandé les noms « dyne » et « erg » pour les unités cgs de force et d'énergie. Le système cgs est devenu la base des travaux scientifiques pendant les soixante-dix années qui ont suivi.

Les rapports ont reconnu deux systèmes basés sur le centimètre-gramme-seconde pour les unités électriques : le système électromagnétique (ou absolu) d'unités (EMU) et le système électrostatique d'unités (ESU).

Unités électriques

Symboles utilisés dans cette section

Symboles	Signification
$F_{\text{m}},F_{\text{e}}$	forces électromagnétiques et électrostatiques
$I_{\text{1}},I_{\text{2}}$	courants électriques dans les conducteurs
$q_{\text{1}},q_{\text{2}}$	charges électriques
$L$	longueur du conducteur
$r$	distance entre les charges/conducteurs
$\epsilon _{0}$	constante électrique
$\mu _{0}$	constante magnétique
$k_{\text{m}},k_{\text{e}}$	constantes de proportionnalité
$c$	vitesse de la lumière
$4\pi$	stéradians entourant un point
$P$	puissance électrique
$V$	potentiel électrique
$I$	courant électrique
$E$	énergie
$Q$	charge électrique
${\mathsf {M,L,T}}$	dimensions : masse, longueur, temps

Dans les années 1820, Georg Ohm a formulé la loi d'Ohm, qui peut être étendue pour relier la puissance au courant, au potentiel électrique (tension) et à la résistance. Au cours des décennies suivantes, la mise en place d'un système cohérent d'unités intégrant la mesure des phénomènes électromagnétiques et la loi d'Ohm s'est heurtée à de nombreux problèmes, et plusieurs systèmes d'unités différents ont été conçus.

Dans les trois systèmes CGS, les constantes $k_{\text{e}}$ et $k_{\text{m}}$ et, par conséquent, $\epsilon _{0}$ et $\mu _{0}$ étaient sans dimension et ne nécessitaient donc aucune unité pour les définir.

Les unités de mesure électriques ne s'intégraient pas facilement dans le système cohérent d'unités mécaniques défini par la BAAS. À l'aide de l'analyse dimensionnelle, les dimensions de la tension ${\mathsf {M}}^{\frac {1}{2}}{\mathsf {L}}^{\frac {1}{2}}{\mathsf {T}}^{-1}$ dans le système ESU étaient identiques à celles du courant dans le système EMU, tandis que la résistance avait les dimensions de la vitesse dans le système EMU, mais celles de l'inverse de la vitesse dans le système ESU.

Système d'unités électromagnétiques (absolues) (EMU)

Le système d'unités électromagnétiques (EMU) a été développé à partir de la découverte par André-Marie Ampère dans les années 1820 d'une relation entre les courants dans deux conducteurs et la force entre eux, aujourd'hui connue sous le nom de loi d'Ampère :

${\frac {F_{\text{m}}}{L}}=2k_{\text{m}}{\frac {I_{1}I_{2}}{r}}$ où $k_{\text{m}}={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}\$ (unités SI)

En 1833, Gauss a souligné la possibilité d'assimiler cette force à son équivalent mécanique. Cette proposition a reçu un soutien supplémentaire de Wilhelm Weber en 1851. Dans ce système, le courant est défini en fixant la constante de force magnétique $k_{\mathrm {m} }$ à l'unité et le potentiel électrique est défini de manière à garantir que l'unité de puissance calculée par la relation $P=VI$ est un erg/seconde. Les unités de mesure électromagnétiques étaient connues sous les noms d'abampère, d'abvolt, etc. Ces unités ont ensuite été adaptées pour être utilisées dans le Système international.

Système d'unités électrostatiques (ESU)

Le Système électrostatique d'unités (ESU) était basé sur la quantification par Coulomb en 1783 de la force agissant entre deux corps chargés. Cette relation, désormais connue sous le nom de loi de Coulomb, peut s'écrire

$F_{\mathrm {e} }=k_{\text{e}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}},$ où $k_{\text{e}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}$ (unités SI)

Dans ce système, l'unité de charge est définie en fixant la constante de Coulomb ($k_{\text{e}}$) à l'unité et l'unité de potentiel électrique a été définie de manière à ce que l'unité d'énergie calculée par la relation $E=QV$ soit égale à un erg. Les unités électrostatiques de mesure étaient le statampère, le statvolt, etc.

Système d'unités gaussien

Le système d'unités gaussiennes était basé sur la découverte de Heinrich Hertz^{[citation nécessaire]} lors de la vérification des équations de Maxwell en 1888, selon laquelle les unités électromagnétiques et électrostatiques étaient liées par :

$c^{2}={\frac {1}{\epsilon _{0}\mu _{0}}}$<référence>

Dan Petru Danescu, « The evolution of the Gaussian Units » [archive du 12 mars 2012], The general journal of science, 9 janvier 2009 (consulté le 7 mai 2011)</ref>

À partir de cette relation, il a proposé de fusionner les systèmes EMU et ESU en un seul système utilisant les unités EMU pour les grandeurs magnétiques (appelées par la suite gauss et maxwell) et les unités ESU pour les autres grandeurs. Il a nommé cet ensemble combiné d'unités « unités gaussiennes ». Cet ensemble d'unités a été reconnu comme particulièrement utile en physique théorique.

Quadrant-onzième gramme-seconde (QES) ou système international d'unités

Les unités de mesure CGS utilisées dans les travaux scientifiques n'étaient pas pratiques pour l'ingénierie, ce qui a conduit à l'élaboration d'un système d'unités électriques plus applicable, en particulier pour la télégraphie. L'unité de longueur était le 10⁷ m (le hebdomètre, nominalement le quadrant terrestre), l'unité de masse était une unité sans nom égale à 10⁻¹¹ g et l'unité de temps était la seconde. Les unités de masse et de longueur ont été mises à l'échelle de manière incongrue afin d'obtenir des unités électriques plus cohérentes et plus utilisables en termes de mesures mécaniques. Appelé officieusement « système pratique », il a été officiellement baptisé « système d'unités quadrant-onzième de gramme-seconde » (QES) conformément à la convention.

Les définitions des unités électriques intégraient la constante magnétique comme le système EMU, et les noms des unités ont été repris de ce système, mais mis à l'échelle en fonction des unités mécaniques définies. Le système a été officialisé sous le nom de Système international à la fin du XIXe siècle et ses unités ont ensuite été désignées « ampère international », « volt international », etc.

Système d'unités Heaviside-Lorentz

Le facteur $4\pi$ qui apparaît dans les équations de Maxwell dans le système gaussien (et les autres systèmes CGS) provient des $4\pi$ stéradians qui entourent un point, tel qu'une charge électrique ponctuelle. Ce facteur pourrait être éliminé des contextes qui n'impliquent pas de coordonnées sphériques en l'intégrant dans les définitions des quantités concernées. Ce système a été proposé par Oliver Heaviside en 1883 et est également connu sous le nom de « système d'unités gaussien rationalisé ». Le SI a ensuite adopté des unités rationalisées basées sur le schéma de rationalisation de Heaviside.

Thermodynamique

Maxwell et Boltzmann avaient élaboré des théories décrivant l'interrelation entre la température, la pression et le volume d'un gaz à l'échelle microscopique, mais en 1900, on ne comprenait pas encore la nature microscopique de la température.

À la fin du XIXe siècle, les lois macroscopiques fondamentales de la thermodynamique avaient été formulées et, bien qu'il existât des techniques empiriques pour mesurer la température, la compréhension scientifiqueModèle:Clarifier de la nature de la température était minimale.

Convention du mètre

Sceau du Bureau international des poids et mesures (BIPM)

Avec l'adoption croissante du mètre à l'échelle internationale, les lacunes du « mètre des Archives » en tant que norme sont devenues de plus en plus évidentes. Les pays qui ont adopté le mètre comme unité de mesure légale ont acheté des barres étalons destinées à être de longueur égale au « mètre des Archives », mais il n'existait aucun moyen systématique de garantir que les pays travaillaient effectivement selon la même norme. La définition méridionale, qui visait à garantir la reproductibilité internationale, s'est rapidement révélée si peu pratique qu'elle a été pratiquement abandonnée au profit des étalons artefacts, mais le « mètre des Archives » (et la plupart de ses copies) étaient des « étalons finaux » : ces étalons (barres d'exactement un mètre de long) sont susceptibles de s'user avec l'usage, et on pouvait s'attendre à ce que différentes barres étalons s'usent à des rythmes différents. Modèle:Cite LarousseXIXe</ref>

En 1867, il fut proposé de créer un nouveau mètre étalon international, dont la longueur serait celle du « mètre des Archives » « dans l'état où il se trouverait ». La Conférence internationale de géodésie de 1867 a appelé à la création d'un nouveau prototype international du mètre Ce traité a créé les organisations suivantes chargées de mener des activités internationales relatives à un système uniforme de mesures :

• la « Conférence générale des poids et mesures » (CGPM), une conférence intergouvernementale composée de délégués officiels des pays membres et autorité suprême pour toutes les actions ;
• « Comité international des poids et mesures » (CIPM ou Comité international des poids et mesures), composé de scientifiques et de métrologues sélectionnés, qui prépare et exécute les décisions de la CGPM et est chargé de la supervision du Bureau international des poids et mesures ;
• « Bureau international des poids et mesures » (BIPM), laboratoire permanent et centre mondial de métrologie scientifique, dont les activités comprennent l'établissement des étalons fondamentaux et des échelles des principales grandeurs physiques, la conservation des étalons internationaux prototypes et la supervision des comparaisons régulières entre les étalons internationaux prototypes et les différents étalons nationaux.

Le prototype international du mètre et le prototype international du kilogramme ont tous deux été fabriqués à partir d'un alliage composé à 90 % de platine et à 10 % d'iridium, qui est exceptionnellement dur et possède de bonnes propriétés de conductivité électrique et thermique. Le prototype avait une section transversale spéciale en forme de X (Tresca) afin de minimiser les effets de la contrainte de torsion lors des comparaisons de longueur et les prototypes du kilogramme étaient de forme cylindrique. La société londonienne Johnson Matthey a livré 30 prototypes du mètre et 40 prototypes du kilogramme. Lors de la première réunion de la CGPM en 1889, la barre n° 6 et le cylindre n° X ont été acceptés comme prototypes internationaux. Les autres ont été conservés comme copies de travail du BIPM ou distribués aux États membres en tant que prototypes nationaux.

À la suite de la Convention du Mètre, en 1889, le BIPM avait la garde de deux artefacts, l'un pour définir la longueur et l'autre pour définir la masse. Les autres unités de mesure qui ne reposaient pas sur des artefacts spécifiques étaient contrôlées par d'autres organismes.

Bien que la définition du kilogramme soit restée inchangée tout au long du XXe siècle, la 3e CGPM de 1901 a précisé que le kilogramme était une unité de masse, et non de poids. Le lot initial de 40 prototypes (adopté en 1889) a été complété de temps à autre par d'autres prototypes destinés aux nouveaux signataires de la Convention du Mètre.

En 1921, le Traité du Mètre a été étendu aux unités électriques, la CGPM fusionnant ses travaux avec ceux de la CEI.

Systèmes de mesure avant la Seconde Guerre mondiale

Prototype national américain du mètre, montrant le numéro de la barre (#27), la section transversale de Tresca et l'une des lignes

L'histoire des mesures au XXe siècle est marquée par cinq périodes : la définition du système cohérent MKS en 1901 ; les 50 années suivantes, marquées par la coexistence des systèmes MKS, cgs et communs ; le prototype du « système pratique d'unités » du SI en 1948 ; l'introduction du SI en 1960 ; et l'évolution du SI au cours du dernier demi-siècle.

Un système cohérent

La nécessité d'une dimension électromagnétique indépendante pour résoudre les difficultés liées à la définition de telles unités en termes de longueur, de masse et de temps a été identifiée par Giorgi en 1901. Cela a conduit Giorgi à présenter un article en octobre 1901 au congrès de l'Associazione Elettrotecnica Italiana (A.E.I.) dans lequel il montrait qu'un système électromécanique cohérent d'unités pouvait être obtenu en ajoutant une quatrième unité de base de nature électrique (par exemple, l'ampère, le volt ou l'ohm) aux trois unités de base proposées dans le rapport BAAS de 1861. Cela a donné des dimensions physiques aux constantes « k »_e et « k »_m et donc également aux grandeurs électromécaniques « ε »₀ (permittivité du vide) et « μ »₀ (perméabilité du vide). Ses travaux ont également reconnu l'importance de l'énergie dans la mise en place d'un système d'unités cohérent et rationnel, avec le joule comme unité d'énergie et les unités électriques du Système international d'unités restant inchangées. Cependant, il a fallu plus de trente ans avant que les travaux de Giorgi soient acceptés dans la pratique par la CEI.

Les systèmes de mesure à l'ère industrielle

Quatre appareils de mesure contemporains de qualité domestique dotés d'étalonnages métriques : un mètre ruban étalonné en centimètres, un thermomètre étalonné en degrés Celsius, un poids kilogramme (masse) et un multimètre électrique qui mesure les volts, les ampères et les ohms

Au fur et à mesure du développement de l'industrie dans le monde, le système d'unités cgs adopté par la British Association for the Advancement of Science en 1873, avec sa multitude d'unités électriques, a continué à être le système de mesure dominant, et ce pendant au moins 60 ans. Il présentait plusieurs avantages : il disposait d'un ensemble complet d'unités dérivées qui, bien que pas tout à fait cohérentes, étaient au moins homologues ; le système MKS ne disposait d'aucune unité définie pour l'électromagnétisme ; les unités MKS étaient trop grandes pour les sciences ; les systèmes de mesure habituels prévalaient aux États-Unis, en Grande-Bretagne et dans l'Empire britannique, et même dans une certaine mesure en France, berceau du système métrique, ce qui a empêché l'adoption de tout système concurrent. Enfin, la guerre, le nationalisme et d'autres forces politiques ont freiné le développement de la science en faveur d'un système d'unités cohérent.

Lors de la 8e CGPM en 1933, la nécessité de remplacer les unités électriques « internationales » par des unités « absolues » a été soulevée. La proposition de la CEI visant à adopter le « système » de Giorgi, désigné de manière informelle sous le nom de MKSX, a été acceptée, mais aucune décision n'a été prise quant à l'unité électrique qui devait constituer la quatrième unité de base. En 1935, J. E. Sears^{[citation nécessaire]} a proposé que ce soit l'ampère, mais la Seconde Guerre mondiale a empêché que cela soit officialisé avant 1946. La première (et unique) comparaison ultérieure des normes nationales avec le prototype international du mètre a été effectuée entre 1921 et 1936, et a indiqué que la définition du mètre était préservée à 0,2 μm près. Au cours de cette comparaison de suivi, la manière dont le prototype du mètre devait être mesuré a été définie plus clairement : la définition de 1889 avait défini le mètre comme étant la longueur du prototype à la température de fusion de la glace, mais, en 1927, la 7e CGPM a étendu cette définition pour préciser que le prototype du mètre doit être « soutenu par deux cylindres d'au moins un centimètre de diamètre, placés symétriquement dans le même plan horizontal à une distance de 571 mm l'un de l'autre ». Le choix de 571 mm correspond aux points d'Airy du prototype, c'est-à-dire les points où la flexion ou l'affaissement de la barre est minimisé.

Projet de travail du SI : « Système pratique d'unités »

La 9e CGPM s'est réunie en 1948, quinze ans après la 8e CGPM. En réponse aux demandes officielles de l'Union internationale de physique pure et appliquée et du gouvernement français visant à établir un système pratique d'unités de mesure, la CGPM a demandé au CIPM de préparer des recommandations pour un système pratique unique d'unités de mesure, susceptible d'être adopté par tous les pays signataires de la Convention du Mètre. Le projet de proposition du CIPM consistait en une révision et une simplification approfondies des définitions, symboles et terminologie des unités métriques, sur la base du système d'unités MKS.

À la suite d'observations astronomiques, le second a été défini comme une fraction de l'année 1900. L'unité de base électromagnétique, comme le demandait Giorgi, a été acceptée comme l'ampère. Après des négociations avec le CIS et l'IUPAP, deux unités supplémentaires, le degré kelvin et la candela, ont également été proposées comme unités de base. Pour la première fois, la CGPM a formulé des recommandations concernant les unités dérivées. Parallèlement, la CGPM a adopté des conventions pour l'écriture et l'impression des symboles et des nombres des unités et a répertorié les symboles des unités de mesure les plus importantes du MKS et du CGS.

Temps

Jusqu'à l'avènement de l'horloge atomique, le chronomètre le plus fiable dont disposait l'humanité était la rotation de la Terre. Il était donc naturel que les astronomes, sous l'égide de l'Union astronomique internationale (UAI), prennent l'initiative de maintenir les normes relatives au temps. Au cours du XXe siècle, il est apparu que la rotation de la Terre ralentissait, ce qui entraînait un allongement de la durée des jours de 1,4 milliseconde par siècle—cela a été vérifié en comparant les dates calculées des éclipses solaires avec celles observées dans l'Antiquité, remontant aux archives chinoises de 763 av. J.-C. En 1956, la 10e CGPM a chargé le CIPM de préparer une définition de la seconde ; en 1958, la définition a été publiée, stipulant que la seconde (appelée « seconde éphéméride ») serait calculée par extrapolation à partir de la vitesse de rotation de la Terre en 1900.

Unité électrique

Conformément aux propositions de Giorgi en 1901, le CIPM a également recommandé que l'ampère soit l'unité de base à partir de laquelle les unités électromécaniques seraient dérivées. Les définitions de l'ohm et du volt qui étaient auparavant utilisées ont été abandonnées, et ces unités sont devenues des unités dérivées basées sur l'ampère. En 1946, le CIPM a officiellement adopté une définition de l'ampère basée sur la définition originale de l'EMU et a redéfini l'ohm en termes d'autres unités de base. Les définitions du système électrique absolu,^[pas clair] basé sur l'ampère, ont été formalisées en 1948. Les unités proposées dans le projet sont très proches, mais pas identiques, aux unités internationales.

Température

Dans l'échelle Celsius du XVIIIe siècle, la température était exprimée en degrés Celsius, avec la définition suivante : la glace fond à 0 °C et l'eau bout à 100 °C (à pression atmosphérique normale). Une série de tables de conversion définissait la température en fonction de mesures empiriques interdépendantes effectuées à l'aide de divers appareils. En 1948, les définitions relatives à la température ont dû être clarifiées. (Le degré, en tant que mesure angulaire, a été adopté pour un usage général dans de nombreux pays. En 1948, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a donc recommandé que le degré Celsius, utilisé pour mesurer la température, soit rebaptisé degré Celsius.)

Lors de la 9e CGPM, l'échelle de température Celsius a été rebaptisée échelle Celsius et l'échelle elle-même a été fixée en définissant le triple point de l'eau comme étant 0,01 °C, bien que la CGPM ait laissé la définition formelle du zéro absolu jusqu'à la 10e CGPM, où le nom « Kelvin » a été attribué à l'échelle de température absolue, et où le point triple de l'eau a été défini comme étant Modèle:Not a typo.

Luminosité

Avant 1937, la Commission internationale de l'éclairage (CIE), en collaboration avec le CIPM, a élaboré une norme pour l'intensité lumineuse afin de remplacer les différentes normes nationales. Cette norme, la candela (cd), était définie comme « la luminosité d'un radiateur complet à la température de solidification du platine, égale à 60 nouvelles bougies par centimètre carré », a été ratifiée par la CGPM en 1948.

Unités dérivées

La nouvelle définition de l'ampère a permis de définir de manière cohérente et pratique un ensemble d'unités dérivées électromagnétiques, notamment le farad, le henry, le watt, le tesla, le weber, le volt, l'ohm et le coulomb. Deux unités dérivées, le lux et le lumen, ont été basées sur la nouvelle candela, et une autre, le degré Celsius, équivalente au degré Kelvin. Cinq autres unités dérivées diverses ont complété le projet de proposition : le radian, le stéradian, le hertz, le joule et le newton.

Système international d'unités (SI)

En 1952, le CIPM proposa d'utiliser la longueur d'onde d'une source lumineuse spécifique comme étalon pour définir la longueur et, en 1960, la CGPM accepta cette proposition en utilisant le rayonnement correspondant à une transition entre des niveaux d'énergie spécifiés de l'atome de krypton 86 comme nouvel étalon pour le mètre. L'étalon mètre fut alors retiré.

En 1960, les propositions de Giorgi ont été adoptées comme base du Système international d'unités (SI). Cette définition initiale du SI comprenait six unités de base, le mètre, le kilogramme, la seconde, l'ampère, le degré Kelvin et la candela, ainsi que seize unités dérivées cohérentes.

Évolution du SI moderne

L'évolution du SI après sa publication en 1960 a vu l'ajout d'une septième unité de base, la « mole », et de six autres unités dérivées, le « pascal » pour la pression, le « gray », le « sievert » et le « becquerel » pour le rayonnement, le « siemens » pour la conductance électrique et le « katal » pour l'activité catalytique (enzymatique). Plusieurs unités ont également été redéfinies en termes de constantes physiques.

Nouvelles unités de base et dérivées

Au cours des années suivantes, le BIPM a développé et maintenu des corrélations croisées entre divers appareils de mesure tels que les thermocouples, les spectres lumineux et autres, et les températures équivalentes.

La mole était à l'origine connue sous le nom de gramme-atome ou gramme-molécule, soit la quantité d'une substance mesurée en grammes divisée par son poids atomique. À l'origine, les chimistes et les physiciens avaient des opinions divergentes sur la définition du poids atomique : tous deux attribuaient une valeur de 16 unités de masse atomique (amu) à l'oxygène, mais les physiciens définissaient l'oxygène en termes d'isotope ¹⁶O, tandis que les chimistes attribuaient 16 amu aux isotopes ¹⁶O, ¹⁷O et ¹⁸O mélangés dans les proportions dans lesquelles ils se trouvent dans la nature. Finalement, un accord a été conclu entre l'Union internationale de physique pure et appliquée (IUPAP) et l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) ont mis fin à cette dualité en 1959/60, les deux parties convenant de définir le poids atomique du ¹²C comme étant exactement 12 amu. Cet accord a été confirmé par l'ISO et, en 1969, le CIPM a recommandé son inclusion dans le SI en tant qu'unité de base. Cela a été fait en 1971 lors de la 14e CGPM.

Début de la migration vers des définitions constantes

La deuxième tendance majeure du SI postmoderne a été la migration des définitions des unités vers des constantes physiques de la nature.

En 1967, lors de la 13e CGPM, le degré Kelvin (Modèle:Not a typo) a été rebaptisé « kelvin » (K).

Les astronomes de l'Observatoire naval des États-Unis (USNO) et du Laboratoire national de physique ont déterminé une relation entre la fréquence du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133 et la vitesse estimée de rotation de la Terre en 1900. Leur définition atomique de la seconde a été adoptée en 1968 par la 13e CGPM.

En 1975, lorsque la seconde a été définie en termes de phénomène physique plutôt que de rotation de la Terre, la CGPM a autorisé le CIPM à étudier l'utilisation de la vitesse de la lumière comme base pour la définition du mètre. Cette proposition a été acceptée en 1983.

La définition de la candela s'est avérée difficile à mettre en œuvre. En 1979, elle a donc été révisée et la référence à la source de rayonnement a été remplacée par une définition de la candela en termes de puissance d'une fréquence spécifiée de lumière visible monochromatique jaune-vert, qui est proche de la fréquence à laquelle l'œil humain, lorsqu'il est adapté à des conditions lumineuses, a la plus grande sensibilité.

Instabilité des artefacts du kilogramme

[[File:Prototype mass drifts.jpg|thumb|right|upright=1.3|Dérive de masse au fil du temps des prototypes nationaux K21–K40, plus deux des copies sœurs de l'IPK : K32 et K8(41). permettant de mettre en œuvre ces définitions ont été affinées.

Le troisième recalibrage périodique, effectué en 1988-1989, a révélé que la différence moyenne entre l'IPK et la ligne de base ajustée pour les prototypes nationaux était de 50 μg — en 1889, la ligne de base des prototypes nationaux avait été ajustée de manière à ce que la différence soit nulle. Comme l'IPK est le kilogramme de référence, il n'y a aucun moyen de savoir si l'IPK a perdu de la masse ou si les prototypes nationaux en ont gagné.

Au cours du siècle, les différents prototypes nationaux du kilogramme ont été recalibrés par rapport au prototype international du kilogramme (IPK) et, par conséquent, les uns par rapport aux autres. Les écarts initiaux de 1889 entre les prototypes nationaux et l'IPK ont été annulés, et toute modification ultérieure de la masse a été rapportée à l'IPK.

Propositions de remplacement de l'IPK

Une sphère en silicium fabriquée avec précision destinée à remplacer l'IPK

Plusieurs remplacements ont été proposés pour l'IPK.

Depuis le début des années 1990, le Projet international Avogadro a travaillé à la création d'une sphère de 1 kg et 94 mm, constituée d'un cristal de silicium 28 uniforme, dans le but de remplacer l'IPK par un objet physique pouvant être reproduit avec précision à partir d'une spécification exacte. En raison de sa construction précise, la sphère du projet Avogadro est probablement l'objet sphérique le plus précis jamais créé par l'homme.

D'autres groupes ont travaillé sur des concepts tels que la création d'une masse de référence par électrodéposition précise d'atomes d'or ou de bismuth, et la définition du kilogramme en termes d'ampère en le reliant aux forces générées par la répulsion électromagnétique des courants électriques.

Finalement, le choix s'est porté sur l'utilisation de la balance de Watt et de la sphère du projet international Avogadro.

En fin de compte, il a été décidé de ne pas créer de remplacement physique pour l'IPK, mais plutôt de définir toutes les unités SI en attribuant des valeurs précises à un certain nombre de constantes physiques qui avaient été précédemment mesurées en fonction des définitions antérieures des unités.

Redéfinition en termes de constantes fondamentales

Le système SI après la révision de 2019 : dépendance des définitions des unités de base par rapport à des constantes physiques ayant des valeurs numériques fixes et à d'autres unités de base.

Lors de sa 23e réunion (2007), la CGPM a chargé le CIPM d'étudier l'utilisation de constantes naturelles comme base pour toutes les unités de mesure plutôt que les artefacts alors utilisés.

L'année suivante, cette décision a été approuvée par l'Union internationale de physique pure et appliquée (UIPPA). Lors d'une réunion du CCU tenue à Reading, Royaume-Uni, en septembre 2010, une résolution et les modifications provisoires à la brochure SI qui devaient être présentées lors de la prochaine réunion du CIPM en octobre 2010 ont été approuvées en principe. La réunion du CIPM d'octobre 2010 a constaté que « les conditions fixées par la Conférence générale lors de sa 23e réunion n'étaient pas encore pleinement remplies. Pour cette raison, le CIPM ne propose pas de révision du SI à l'heure actuelle. » Le CIPM a toutefois présenté une résolution pour examen lors de la 24e CGPM (17-21 octobre 2011) afin d'approuver les nouvelles définitions en principe, mais de ne pas les mettre en œuvre avant que les détails aient été finalisés.

Dans la révision, quatre des sept unités de base du SI — le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la mole — ont été redéfinies en fixant des valeurs numériques exactes pour la constante de Planck (“”h“”), la charge électrique élémentaire (“”e“”), la constante de Boltzmann (“'k”'_B), et la constante d'Avogadro (“'N”'_A), respectivement. La seconde, le mètre et la candela étaient déjà définis par des constantes physiques et leur définition a fait l'objet de corrections. Les nouvelles définitions visaient à améliorer le SI sans modifier la valeur des unités, afin d'assurer la continuité avec les mesures existantes.

Cette résolution a été acceptée par la conférence, et, en outre, la CGPM a avancé la date de la 25e réunion de 2015 à 2014. Lors de la 25e réunion, qui s'est tenue du 18 au 20 novembre 2014, il a été constaté que « malgré [les progrès réalisés en ce qui concerne les exigences nécessaires], les données ne semblent pas encore suffisamment solides pour que la CGPM adopte le SI révisé lors de sa 25e réunion ». reportant ainsi la révision à la prochaine réunion en 2018.

Des mesures suffisamment précises pour répondre aux conditions étaient disponibles en 2017 et la révision a été adoptée lors de la 26e CGPM (13-16 novembre 2018), les modifications entrant finalement en vigueur en 2019, créant ainsi un système de définitions destiné à être stable à long terme.

Voir aussi

• Histoire du mètre
• Histoire de la mesure
• Métrication