Mesurer le monde : espace, temps et plus encore

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Du 13 au 16 novembre 2018 à Versailles, quatre des sept unités de base du Système international ont été redéfinies. Cette réforme, attendue depuis trente ans et préparée depuis 2011, entrera en vigueur en mai 2019.

Sept unités pour tout mesurer

Héritier du système métrique mis au point pendant la Révolution Française, le Système International compte actuellement sept unités de base :

Ces unités ont connu des définitions successives. Par exemple, le mètre a été initialement défini en 1790 comme le dix millionième du quart d’un méridien terrestre, et a donné lieu à la création d’un mètre étalon en iridium conservé à Paris. Puis en 1960, le mètre est devenu un multiple d’un écart de la longueur d’onde entre deux états de l’atome de Krypton. Enfin depuis 1983, le mètre est défini par son rapport avec la vitesse de la lumière dans le vide. Cette grandeur, c, d’une valeur d’un peu moins de 300 000 m/s, est une constante physique, valable partout et en tout temps (tout le monde connait le célèbre E=mc²).

En novembre, donc, quatre des sept unités de base du Système international ont été redéfinies. Comme pour le mètre, l’idée est de baser les nouvelles définitions sur des constantes physiques. En mai 2019, nous aurons ainsi :

Mesurer le monde - C. Hein pour CNRS le Journal. Sources: projet de résolution n°1 pour la CGPM
Le SI en mai 2019 : sept unités reliées à sept constantes physiques pour tout mesurer

Pourquoi changer?

  • Être le plus universel possible,
  • Gagner en précision,
  • Pour que tout laboratoire suffisamment équipé puisse étalonner ses équipements sans recourir aux étalons primaires ou à leurs copies.
  • Favoriser l’innovation. Ainsi, le GPS aurait été impossible à développer sans les redéfinition du mètre (1983) et de la seconde (1967).

Est-ce terminé? Et bien non. La définition de la seconde devrait en effet encore évoluer à l’horizon 2030. Actuellement on dispose d’une exactitude allant jusqu’à 16 chiffres après la virgule (10-16). Or les expériences de physique quantique nécessitent une précision à 18 chiffres après la virgule (10-18). Pour gagner encore en précision, il s’agira de changer de rayonnement d’atome de référence.

Néanmoins, qu’on se rassure, dans le quotidien, un kilo de pommes restera un kilo de pommes.

Aller plus loin :

Mesurer l’espace

Avoir des unités, c’est bien. S’en servir c’est mieux. Tout le monde a une idée approximative de ce que représente un mètre, ou un kilomètre. Mais un million de kilomètres ou un nanomètre? Pour mieux appréhender les ordres de grandeur, on peut utiliser les puissances de 10, qui donnent le nombre de zéro avant ou après la virgule.

  • Un kilomètre vaut ainsi 103 mètres,
  • un million de kilomètres en valent  109,
  • et le nanomètre des nanotechnologies vaut 10-9 mètres.

Cela nous permet de mesurer les tailles relatives de tout les objets, des plus petits (particules sub atomiques : un tas de zéros après la virgule, 10-n) aux plus grandes (super amas de galaxies : un tas de zéros avant la virgule, 10n). Illustration dans cette vidéo :

Les puissances de 10 ont en outre l’avantage de ne plus avoir à s’empêtrer entre les millions, les billions (milliards en anglais), et les trillions dont le nombre de zéros change selon le contexte.

Aller plus loin :

Mesurer le temps

Par ailleurs, on peut composer un grand récit à partir des différentes sciences. Un récit qui s’étend sur 13.8 milliards d’années (13,8 x 10années).

C’est une durée vertigineuse difficile à imaginer. Pour mieux l’appréhender, rapportons-la aux 12 mois d’une année terrestre, en une sorte de calendrier cosmique. Chaque seconde y représentera alors 438 ans :

Mesurer le monde - calendrier cosmique
Le calendrier cosmique : mesurer l’histoire de l’univers sur une année

Dans ce calendrier :

  • Du 2 au 3 janvier, les premières étoiles se forment ;
  • A partir du 10 janvier, c’est au tour des galaxies. Il faut attendre le 16 mars pour voir la nôtre se former ;
  • En son sein, notre système solaire arrive… le 2 septembre!
  • La vie unicellulaire se développe une semaine plus tard, dès le 9 septembre ;
  • Ensuite, deux mois plus tard, début novembre, on a les première traces d’organismes pluricellulaires ;

Décembre

  • Le 14 décembre, c’est l’explosion cambrienne. Tous les modèles corporels encore existants aujourd’hui apparaissent en une dizaine d’heures, et bien d’autres qui ont disparu depuis ;
  • Le 20, les première plantes s’attaquent à la terre ferme, suivies le lendemain par les insectes ;
  • Le 25 voit le début du règne des dinosaures, qui se terminera le 30 ;
  • Le 31 décembre vers 19h30, les premiers hominidés, vers 21h, les australopithèques ;

Et nous?

  • Sapiens n’apparaît qu’à un quart d’heure de la fin de l’année, vers 23h45. Un tout petit quart d’heure qui contient toute l’histoire de l’homme moderne. Il est 23h59 et trente secondes quand il invente l’agriculture. L’origine du calendrier chrétien se situe à 23h59’55. La chute de l’Empire Romain, les 1000 ans du Moyen-Age européen, les empires musulmans successifs, les empires coloniaux européens, les 2 révolutions industrielles, les deux guerres mondiales et le satellite Spoutnik tiennent dans les 5 dernières secondes de l’univers.

Aller plus loin

Michel Serres

Michel Serres résumait le Grand Récit qu’on peut composer à partir des différentes sciences sur France Culture en 2016 : France Culture – La méthode scientifique, 29 septembre 2016 :

Carl Sagan

Le calendrier cosmique est une invention de l’astrophysicien et vulgarisateur Carl Sagan, pour la série : « Cosmos » première du nom en 1980, avec la musique de Vangelis (Cosmos : a Personal Voyage). Ce calendrier est présenté ci-dessous par le Youtubeur Ballade Mentale :

Neil de Grasse Tyson

L’astrophysicien Neil de Grasse Tyson a repris la métaphore du calendrier cosmique de son mentor, comme fil conducteur de la série « Cosmos » deuxième du nom en 2014 (Cosmos : une odyssée à travers l’univers). Ci-dessous, épisode 1, à partir de 27’00) :

Une troisième saison de Cosmos, nommée “Possible Worlds” est actuellement en préparation et prévue pour 2019.

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