SYSTÈME INTERNATIONAL D'UNITÉS (SI)

Des unités désormais reliées à des constantes de la nature

La révision du SI adoptée en 2018 est l’aboutissement de longues années de recherche et constitue une véritable révolution cohérente avec les progrès réalisés. Un changement de cap qui correspond aux connaissances actuelles de la nature. Jean-Philippe Uzan, directeur de recherche au CNRS et cosmologiste à l’Institut d’astrophysique de Paris explique : « Un système d’unités est une construction humaine et les définitions du Système international se sont donc à l’origine appuyées sur la physique classique. Les changements successifs de définition ont découlé de la volonté d’utiliser des mesures plus stables et plus fondamentales, accompagnant ainsi les progrès de la physique. »

La première conséquence majeure de cette révision est que le SI est à présent défini selon la valeur numérique de sept constantes spécifiques. L’idée d’utiliser des constantes de la nature comme étalons fondamentaux n’est pas nouvelle, mais la science ne permettait pas jusque-là d’atteindre le degré de précision requis pour fonder le SI sur ces invariants. En 2011 et 2014, des résolutions de la CGPM prennent acte de l’intention du CIPM de proposer une révision du SI consistant à utiliser cet ensemble de sept constantes comme référence pour définir les unités. La révision de 2018 a intégré un demi-siècle de progrès dans le domaine de la physique atomique et de la métrologie quantique afin d’atteindre des niveaux inédits de précision.

Avant la révision du SI de 2018, les valeurs numériques des constantes étaient déduites des définitions des sept grandeurs de base auxquelles sont associées chacune des sept unités du SI. À partir du 20 mai 2019, date de l’entrée en vigueur des nouvelles définitions, ce sont donc les constantes, dont les valeurs numériques ont été fixées en cohérence avec les définitions précédentes pour assurer la continuité de ce système, qui fondent les unités. Ces nouvelles définitions utilisent une formulation dite « à constante explicite » : l’unité est définie indirectement en donnant la valeur numérique exacte de la constante à laquelle elle est liée. D’après la résolution 1 (26^e réunion de la CGPM), le SI est donc le système d’unités selon lequel :

– la fréquence de la transition hyperfine de l’état fondamental de l’atome de césium 133 non perturbé, Δν_Cs, est égale à 9 192 631 770 Hz ;

– la vitesse de la lumière dans le vide, c, est égale à 299 792 458 m/s ;

– la constante de Planck, h, est égale à 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J s ;

– la charge élémentaire, e, est égale à 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C ;

– la constante de Boltzmann, k, est égale à 1,380 649 × 10⁻²³ J/K ;

– la constante d’Avogadro, N_A, est égale à 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹;

– l’efficacité lumineuse d’un rayonnement monochromatique de fréquence 540 × 10¹² Hz, K_cd, est égale à 683 lm/W. »

Les symboles Hz, J, C, lm et W – qui représentent respectivement les unités hertz, joule, coulomb, lumen et watt – sont reliées aux unités seconde (s), mètre (m), kilogramme (kg), ampère (A), kelvin (K), mole (mol) et candela (cd) par les relations suivantes : Hz = s^–1 ; J = kg m² s^–2 ; C = A s ; lm = cd m² m^–2 = cd sr ; et W = kg m² s^–3.

À partir des valeurs fixées de ces sept constantes, il est possible de déduire toutes les unités du système. Les concepts d’unités de base et d’unités dérivées sont maintenus dans le SI révisé en raison de leur aspect pratique et d’une utilisation largement répandue, mais ce n’est en principe pas nécessaire car les définitions de toutes les unités, qu’elles soient de base ou dérivées, peuvent être déduites directement à partir des sept constantes. Une série de préfixes servant à former des multiples et des sous-multiples[...]