Mètre
Qu’il s’agisse de l’interminable distance jusqu’à la maison de grand-mère, d’un empan de tissu, du nombre de verges jusqu’à la ligne de but ou de l’espace entre les insondables petits transistors d’une puce d’ordinateur, la longueur est l’une des unités de mesure les plus familières.
Les gens ont imaginé toutes sortes de façons inventives de mesurer la longueur. Les plus intuitives sont au bout de nos doigts. C’est-à-dire qu’elles sont basées sur le corps humain : le pied, la main, les doigts ou la longueur d’un bras ou d’une foulée.
Dans la Mésopotamie et l’Égypte anciennes, l’une des premières mesures standard de longueur utilisées était la coudée. En Égypte, la coudée royale, qui était utilisée pour construire les structures les plus importantes, était basée sur la longueur du bras du pharaon, du coude à l’extrémité du majeur, plus l’envergure de sa main. En raison de sa grande importance, la coudée royale était normalisée à l’aide de tiges de granit. Ces coudées de granit étaient ensuite subdivisées en longueurs plus courtes rappelant les centimètres et les millimètres.
Les mesures de longueur ultérieures utilisées par les Romains (qui les avaient prises des Grecs, qui les avaient prises des Babyloniens et des Égyptiens) et transmises en Europe étaient généralement basées sur la longueur du pied humain ou de la marche et des multiples et subdivisions de celle-ci. Par exemple, le pas – un pas gauche plus un pas droit – correspond approximativement à un mètre ou à un yard (d’un autre côté, le yard ne dérive pas d’un pas mais, entre autres, de la longueur du bras tendu du roi Henri Ier d’Angleterre). Mille passus en latin, ou 1 000 pas, est à l’origine du mot anglais « mile ». Cependant, le mile romain n’était pas tout à fait aussi long que la version moderne.
Les Romains et d’autres cultures du monde entier, comme celles de l’Inde et de la Chine, ont normalisé leurs unités, mais les mesures de longueur en Europe étaient encore largement basées sur des choses variables jusqu’au 18e siècle. Par exemple, en Angleterre, pour les besoins du commerce, le pouce était conçu comme la longueur de trois barleycorns mis bout à bout.
Une unité de longueur pour mesurer la terre, une tige, était la longueur de 16 pieds d’hommes choisis au hasard, et des multiples de celle-ci définissaient un acre.
Dans certains endroits, la superficie des terres agricoles était même mesurée en temps, comme la quantité de terre qu’un homme, ou un homme avec un bœuf, pouvait labourer en une journée. Cette mesure dépendait en outre de la culture pratiquée : Par exemple, un acre de blé n’avait pas la même taille qu’un acre d’orge. Cela ne posait pas de problème tant que l’exactitude et la précision n’étaient pas en cause. Vous pouviez construire votre propre maison en utilisant de telles mesures, et les parcelles de terre pouvaient être grossièrement arpentées, mais si vous vouliez acheter ou vendre quoi que ce soit en fonction de la longueur ou de la superficie, percevoir des taxes et des droits appropriés, construire des armes et des machines plus avancées avec des pièces interchangeables, ou effectuer tout type de recherche scientifique, vous aviez besoin d’une norme universelle.
L’invention du système métrique à la fin du 18e siècle dans la France révolutionnaire a été le résultat d’un long effort pour établir un tel système universel de mesure, qui n’était pas basé sur des dimensions corporelles variant d’une personne à l’autre ou d’un endroit à l’autre. Les Français ont plutôt cherché à créer un système qui perdurerait « pour tous les temps, pour tous les peuples. »
Pour ce faire, l’Académie des sciences française a créé un conseil de scientifiques et de mathématiciens prééminents, Jean-Charles de Borda, Joseph-Louis Lagrange, Pierre-Simon Laplace, Gaspard Monge et Nicolas de Condorcet, pour étudier le problème en 1790. Un an plus tard, ils en ressortent avec une série de recommandations. Le nouveau système serait un système décimal, c’est-à-dire basé sur 10 et ses puissances. La mesure de la distance, le mètre (dérivé du mot grec metron, qui signifie « une mesure »), serait égale à 1/10 000 000 de la distance entre le pôle Nord et l’équateur, cette ligne passant par Paris, bien sûr. La mesure de volume, le litre, serait le volume d’un cube d’eau distillée dont les dimensions seraient de 1/1 000 de mètre cube. L’unité de masse (ou plus pratiquement de poids), le kilogramme, serait le poids d’un litre d’eau distillée dans le vide (espace complètement vide).
En 1792, les astronomes Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre entreprennent de mesurer le mètre en arpentant la distance entre Dunkerque, en France, et Barcelone, en Espagne. Après quelque sept années d’efforts, ils parviennent à leur mesure définitive et la soumettent à l’académie, qui matérialise le prototype du mètre sous la forme d’une barre de platine.
Il a été découvert plus tard que les scientifiques avaient fait des erreurs dans le calcul de la courbure de la terre, et que par conséquent le prototype original de mètre était 0.2 millimètres de moins que la distance réelle entre le pôle Nord et l’équateur. Bien que cet écart ne semble pas très important, c’est le genre de chose qui empêche les spécialistes de la mesure de dormir la nuit. Néanmoins, il a été décidé que le mètre resterait tel que réalisé dans la barre de platine. Les définitions ultérieures du mètre ont depuis été choisies pour s’approcher le plus possible de la longueur de cette première barre de mètre, malgré ses défauts.
Au fil du temps, de plus en plus de pays européens ont adopté le mètre français comme étalon de longueur. Cependant, si les copies de la barre de mètre étaient censées être exactes, il n’y avait aucun moyen de le vérifier. En 1875, le Traité du mètre, signé par 17 pays dont les États-Unis, a établi la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) en tant qu’organisation diplomatique officielle chargée de maintenir un système international d’unités en harmonie avec les progrès de la science et de l’industrie.
L’organisation intergouvernementale, le Bureau international des poids et mesures (BIPM), a également été créée à cette époque. Situé juste en dehors de Paris, à Sèvres, en France, le BIPM sert de point focal par lequel ses États membres agissent sur les questions d’importance métrologique. Il est l’arbitre ultime du Système international d’unités (SI) et le dépositaire des étalons de mesure physiques. Le kilogramme était le dernier des étalons de mesure basés sur des artefacts dans le SI. (Le 20 mai 2019, il a été officiellement remplacé par une nouvelle définition fondée sur les constantes de la nature.)
Après cette première réunion, le BIPM a commandé un nouveau prototype et 30 exemplaires ont été remis aux États membres. Ce nouveau prototype serait composé de platine et d’iridium, ce qui était nettement plus durable que le platine seul. La barre ne serait plus plate mais aurait une section transversale en forme de X pour mieux résister aux distorsions qui pourraient être introduites par la flexion lors des comparaisons avec d’autres barres de compteur. Le nouveau prototype ne serait pas non plus un étalon « terminal », c’est-à-dire que le compteur serait défini par les extrémités de la barre elle-même. Au lieu de cela, la barre aurait une longueur de plus d’un mètre et le mètre serait défini comme la distance entre deux lignes inscrites sur sa surface. Plus faciles à créer qu’un étalon terminal, ces inscriptions permettaient également à la mesure du mètre de survivre si les extrémités de la barre étaient endommagées. Les mesures officielles du prototype de mètre auraient lieu à la pression atmosphérique standard, au point de fusion de la glace.
Et c’est ainsi que les choses sont restées jusqu’en 1927, lorsque la mesure de précision du mètre a pu faire un bond en avant grâce aux progrès réalisés dans une technique vieille de 40 ans appelée interférométrie. Dans cette technique, les ondes lumineuses peuvent être manipulées de telle sorte qu’elles se combinent ou « interfèrent » entre elles, ce qui permet de mesurer précisément la longueur des ondes – la distance entre les pics successifs.
C’est en 1927 que le NIST (alors connu sous le nom de National Bureau of Standards) a plaidé pour que les diagrammes d’interférence des atomes de cadmium excités deviennent un étalon pratique de longueur. Cette mesure était utile car les artefacts de mesure internationaux tels que les barres de compteur ne pouvaient pas être partout à la fois ; cependant, avec un équipement approprié, les scientifiques, où qu’ils soient, pouvaient mesurer le mètre avec du cadmium. Leurs copies, aussi exquises soient-elles, ne sont pas aussi précises que les objets réels. Ni un artefact ni ses copies ne sont adaptés à toutes les mesures que l’on peut vouloir effectuer. Pour citer un exemple concret, les cales-étalons sont des étalons de longueur couramment utilisés dans l’usinage. En raison de l’extrême finesse du travail exigé des machinistes, leurs étalons de calibrage doivent également être finement élaborés. Grâce aux longueurs d’onde du cadmium (et du krypton), les cales-étalons pourraient être certifiées précises à 0,000001 pouce par pouce (1 partie par million), soit trois fois plus qu’auparavant.
Au milieu des années 1940, les physiciens nucléaires ont visé des neutrons sur l’or pour transformer les atomes en mercure. Le physicien du NIST William Meggers a remarqué que viser des ondes radio sur cette forme de mercure, connue sous le nom de mercure-198, produirait une lumière verte avec une longueur d’onde bien définie. En 1945, Meggers s’est procuré une petite quantité de mercure-198 et a commencé à l’expérimenter.
En appliquant des techniques d’interférométrie au mercure-198, il est arrivé trois ans plus tard à un moyen précis, reproductible et pratique de définir le mètre.
« Selon toute probabilité, la ligne verte brillante du mercure sera l’onde à utiliser comme standard ultime de longueur », écrivait-il dans ses articles.
Meggers a mesuré la longueur d’onde de la lumière verte du mercure : 546,1 nanomètres, soit des milliardièmes de mètre. Un mètre serait défini comme un nombre précis de multiples de cette longueur d’onde.
En 1951, le NIST a distribué 13 « lampes Meggers » à des institutions scientifiques et des laboratoires industriels. L’agence cherchait à augmenter encore la précision de sa technique de redéfinition du mètre. Cependant, le financement pour ce faire n’était pas immédiatement disponible, et le projet n’a pu être achevé qu’en 1959.
En fin de compte, le mercure a perdu face au krypton – l’élément atomique qui a donné son nom à la planète natale de Superman. Proposé à l’origine comme atome de choix par la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), l’institut national de métrologie d’Allemagne, l’isotope krypton-86 était plus largement disponible en Europe et pouvait fournir une plus grande précision dans les mesures de laboratoire de l’époque.
Alors, en 1960, la 11e CGPM a accepté une nouvelle définition du mètre comme étant la » longueur égale à 1 650 763,73 longueurs d’onde dans le vide du rayonnement correspondant à la transition entre les niveaux 2p10 et 5d5 de l’atome de krypton-86. » En d’autres termes, lorsque les électrons d’une forme courante de krypton font un saut d’énergie spécifique, ils libèrent cette énergie sous la forme d’une lumière rouge-orange d’une longueur d’onde de 605,8 nanomètres. Additionnez 1 650 753,73 de ces longueurs d’onde et vous obtenez un mètre.
Mais la norme du krypton ne devait pas perdurer trop longtemps. (Désolé, Superman.) C’est parce que les scientifiques du NIST ont rapidement développé un autre pouvoir digne d’un super-héros : la capacité de mesurer de manière fiable et précise la vitesse la plus rapide de l’univers, à savoir la vitesse de la lumière dans le vide.
La lumière avec laquelle nous sommes le plus familiers, le genre visible, n’est qu’une petite partie du spectre électromagnétique, qui va des ondes radio aux rayons gamma. Ainsi, lorsque nous parlons de la vitesse de la lumière, nous parlons de la vitesse de toutes les radiations électromagnétiques, y compris la lumière visible.
Parce que la lumière a une vitesse incroyablement rapide mais finalement finie, si cette vitesse est connue, alors les distances peuvent être calculées en utilisant la formule simple : La distance est la vitesse multipliée par le temps. C’est un excellent moyen de mesurer la distance des satellites et autres vaisseaux spatiaux, de la Lune, des planètes et, avec quelques techniques astronomiques supplémentaires, d’objets célestes encore plus éloignés. La vitesse de la lumière est également l’épine dorsale du réseau GPS, qui détermine votre position en mesurant le temps de vol des signaux radio entre les satellites équipés d’une horloge atomique et votre smartphone ou autre appareil. Et connaître la vitesse de la lumière fait partie intégrante d’une autre technologie étroitement liée appelée télémétrie laser, une sorte de radar hyperprécis qui peut être utilisé pour positionner des satellites et mesurer et surveiller la surface de la Terre.
La vitesse de la lumière était restée pendant des siècles une quantité insaisissable, mais les scientifiques ont commencé à s’en approcher vraiment avec l’invention du laser en 1960, la même année que l’étalon krypton. Les caractéristiques de la lumière laser en faisaient un outil idéal pour mesurer la longueur d’onde de la lumière. Tout ce qui manquait à l’équation de Nist était une mesure très précise de la fréquence de la lumière, c’est-à-dire le nombre de pics d’ondes qui passent par un point fixe par seconde. Une fois la fréquence connue avec suffisamment de précision, calculer la vitesse de la lumière était aussi simple que de multiplier la fréquence par la longueur d’onde.
Entre les années 1969 et 1979, les scientifiques du laboratoire du NIST à Boulder, dans le Colorado, ont réalisé neuf mesures record de la fréquence de la lumière laser. A noter la mesure record de 1972 avec un nouveau laser stabilisé pour libérer une fréquence spécifique de lumière. La lumière interagit fortement avec le méthane, ce qui garantit que des lasers similaires fonctionneront à la même fréquence et que l’expérience pourra être répétée. Cette mesure était bien plus reproductible que tout ce que permettait la technique approuvée en 1960 pour déterminer le compteur. Dirigée par les physiciens du NIST Ken Evenson, le futur lauréat du prix Nobel Jan Hall et Don Jennings, elle a abouti à la valeur c=299 792 456,2 ± 1,1 mètres par seconde, soit une amélioration centuplée de la précision de la valeur acceptée pour la vitesse de la lumière.
Indépendamment du groupe de Boulder du NIST, Zoltan Bay et Gabriel Luther, au siège du NIST à Gaithersburg, en collaboration avec John White, un collègue de l’American University, avaient publié une nouvelle valeur de la vitesse de la lumière quelques mois auparavant. Le groupe de Gaithersburg a utilisé un système ingénieux pour moduler la lumière de la ligne 633 nm d’un laser hélium-néon en utilisant des micro-ondes. En utilisant une valeur pour la longueur d’onde de la ligne rouge He-Ne donnée précédemment par Christopher Sidener, Bay, Luther et White ont obtenu une valeur de c=299 792 462 ± 18 mètres par seconde. Cette valeur, bien que n’étant pas déterminée avec le faible niveau d’incertitude revendiqué quelques mois plus tard par le groupe de Boulder, était entièrement cohérente avec leur résultat.
S’appuyant sur ces avancées et d’autres, le mètre a été redéfini par un accord international en 1983 comme la longueur du chemin parcouru par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde. Cette définition a également fixé la vitesse de la lumière à 299 792 458 mètres par seconde dans le vide. La longueur n’était désormais plus un étalon indépendant, mais découlait de l’étalon extrêmement précis qu’est le temps et d’une valeur nouvellement définie pour la vitesse de la lumière, rendue possible par la technologie développée au NIST.
Et ainsi, le mètre a et restera probablement aussi élégamment défini en ces termes dans un avenir prévisible.