Comment sait-on qu’un kilo fait un kilo ?

Quand on se mesure pour connaître notre taille, on se mesure avec un « mètre », un rouleau sur lequel des graduations sont indiquées.

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Mais comment les fabricants des mètres savent-ils qu’ils ont le bon mètre ? Comment savent-ils exactement quelle distance laisser entre chacune des graduations ? Et comment être sûr que tous les fabricants du monde ont exactement le même mètre ?

Si l’on se pose la question pour la longueur, c’est exactement le même problème pour la masse… comment sait-on qu’un kilo fait vraiment un kilo ? Et que le kilo que je mesure moi est le même que celui qui est mesuré à l’autre bout du monde ?

Comment définit-on une unité de base ?

Cette question se pose dans sept cas. Les unités qui correspondent à chacun des cas sont indiquées entre parenthèses :

  • la longueur (le mètre : m),
  • la masse (le kilogramme : kg),
  • le temps (la seconde : s),
  • le courant électrique (l’ampère : A),
  • la température (le degré Kelvin : K),
  • la quantité de matière (la mole : mol),
  • l’intensité lumineuse (le candela : cd).

Mais pourquoi sept cas seulement ? Que fait-on de la vitesse (la voiture qui roule à 130 km/h), de la puissance (les watts de nos ampoules), ou même de la tension électrique (comme nos prises murales en 220V) ?

Cela peut paraître surprenant mais toutes les autres unités qui existent se définissent toutes par rapport aux 7 unités de base que nous avons listé ci-dessus.

La vitesse est en réalité des mètres par secondes, les watts sont des kilogrammes mètres au carré par seconde au cube (kg.m2.s-3), et la tension est encore plus compliquée, ce sont des kg.A-1m2s-3.

Mine de rien, c’est une bonne nouvelle. Cela veut dire qu’il n’y a que 7 unités pour lesquelles il faut trouver une définition.

C’est d’ailleurs ce mot qui est la clef : il faut DEFINIR ce qu’est un kilo, un mètre, un kelvin… Et pour définir une quantité, la seule façon que l’on connaisse, c’est de l’exprimer par rapport à une autre chose que l’on connaît très bien. Cette chose est difficile à trouver car elle doit remplir deux grands critères :

  • cette chose ne doit changer dans le temps. Ainsi, les unités que cette chose définit, restent les mêmes aujourd’hui et dans 10 000 ans !
  • cette chose doit être la même quelque soit le pays dans lequel on se trouve, afin qu’elle soit représentative de tous les peuples et que ceux-ci puissent avoir accès à cette définition

Une chose donc. Il faut trouver une chose qui est immuable dans le temps et dans l’espace.

Trève d’abstraction, passons aux exemples.

Avant la révolution française, il existait 250 000 unités de poids et de distance. Il n’y avait aucune définition universelle partagée par tous comme c’est le cas aujourd’hui où les 250 000 unités ont été remplacées par seulement 2 unités (le mètre et le kilogramme).

Et si nos unités de masse et de distance sont devenues universelles c’est parce que l’académie des sciences s’est emparée du problème à cette époque et a défini ce qu’allait être un mètre à partir de la longueur d’un méridien terrestre (une ligne imaginaire qui fait tout le tour de la Terre en passant par les pôles).

C’était ça, la fameuse chose. La longueur du méridien terrestre est la chose que l’on cherche. La Terre semble ne pas bouger dans le temps ni dans l’espace on peut donc l’utiliser pour définir le mètre. Des scientifiques sont donc allés parcourir une portion du globe terrestre pour mesurer sa surface. Le mètre est ensuite défini comme une minuscule petite portion de toute la longueur d’un méridien. Si vous souhaitez avoir plus de détails sur cette épopée, vous pouvez regarder cette vidéo qui parle exclusivement de l’histoire du mètre :

Mais la Terre est imparfaite. En réalité, elle n’est pas tout à fait ronde et elle est toute cabossée. C’est très difficile de l’utiliser comme définition pour le mètre. C’est pour cela qu’au cours de notre histoire, les choses qui nous permettent de définir toutes nos unités fondamentales ont évoluées au fur et à mesure de l’amélioration de nos connaissances et de nos techniques.

Aujourd’hui, le mètre est défini par quelque chose de beaucoup plus précis. Il correspond à la longueur parcourue par la lumière dans le vide pendant une fraction de seconde (1/299 792 458 secondes pour être précis).

Pour la masse, la chose était un volume d’eau pure se trouvant dans un cube d’un côté de longueur 10 cm (soit 1L). La chose en question rendait alors dépendantes la notion de longueur et de masse. Alors que la définition du mètre elle-même, basée sur le tour de la Terre, était imparfaite. La solution qui a été adoptée pour réduire ces incertitudes a été de produire un cube de platine et d’iridium et de dire que la masse de ce cube serait le kilogramme. Et c’est encore aujourd’hui la définition que nous utilisons.

Le kilogramme est la seule unité de nos 7 unités fondamentales à être définie à partir d’une chose construite par l’homme. On appelle ça un artefact.

Le problème de cela est que si jamais la masse du cube change à cause d’un dépôt de poussière ou bien à cause d’une perte de matière, il nous est impossible de le détecter. Par définition, ce cube EST le kilo. S’il change, c’est toujours 1kg, puisque c’est la définition.

Régulièrement, toutes les copies du cube qui ont été réalisées à l’époque sont mesurées. Plus aucun cube ne fait la même masse. On sait alors que la définition du kilogramme se dégrade avec le temps.

De nombreux projets sont en développement pour essayer de donner une nouvelle définition au kilogramme. D’ailleurs, tu peux regarder cette vidéo qui t’en apprendra plus sur la problématique de la masse (il y a des sous-titres en français).

Si aujourd’hui 1m fait un mètre, 1kg fait 1kg, 1s fait 1s etc… c’est avant tout grâce à des scientifiques qui ont passé une bonne partie de leurs vies à réaliser des mesures pour que tout le monde puisse parler avec un seul et même langage que sont nos unités de mesure.

Viviane / Scilabus

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