La société
s'appuie sur une infrastructure vaste, et souvent invisible, de services,
de denrées, de réseaux de transport et de communication dont
la présence nous est familière mais dont le bon fonctionnement
est essentiel à la vie quotidienne. La métrologie, ou science
de la mesure, constitue une partie de cette infrastructure cachée
car elle garantit qu'on peut accorder confiance aux mesures qui permettent
la fabrication et les échanges de produits, l'analyse des phénomènes
physiques et chimiques, le diagnostic médical, les hauts débits
de communication, les systèmes de repérage, la définition
et le contrôle des règles de sécurité...
Mesurer, c'est comparer
; c'est comparer une grandeur physique inconnue avec une grandeur de même
nature prise comme référence, à l'aide d'un instrument.
C'est exprimer le résultat de cette comparaison à l'aide
d'une valeur numérique, associée à une unité
qui rappelle la nature de la référence, et assortie d'une
incertitude qui dépend à la fois des qualités de l'expérience
effectuée et de la connaissance que l'on a de la référence
et de ses conditions d'utilisation.
De nombreuses causes
d'erreur viennent affecter le résultat brut d'un mesurage : la grandeur
mesurée elle-même est parfois mal définie, varie dans
le temps, ou l'espace, ou bien est affectée par le procédé
de mesure ; les capteurs et instruments utilisés présentent
le cas échéant des défauts ; le mode opératoire
utilisé introduit des erreurs ; de nombreuses "grandeurs d'influence"
caractérisant les conditions d'ambiance influent sur le résultat...
Il faut introduire des corrections pour compenser ces erreurs. Ce résultat
n'est pas une valeur certaine: il est issu de résultats présentant
une certaine dispersion, et de plus il existe une certaine méconnaissance
de la valeur de chaque correction individuelle, donc de la correction totale.
Une fois prises en compte toutes ces causes d'erreur, on appelle incertitude
de mesure le paramètre associé au résultat qui caractérise
la dispersion des valeurs numériques et qui peut être, raisonnablement,
attribuée au mesurande.
Par ailleurs, les «
fournisseurs » de résultats de mesure et leurs « clients
» ont besoin d'exprimer les résultats en utilisant des références
reconnues sans équivoque par chacun des acteurs et en exprimant
de façon scientifiquement convenue l'incertitude associée.
Cet ensemble constitue, pour toutes les pondeurs physiques, le langage
(universel ?) de la métrologie.
...à
une référence dont la traçabilé est établie...
La « stabilité
» à long terme de notre système de mesures est particulièrement
importante. On ne peut être sûr de mesures fiables et exactes
présentant une stabilité à long terme que si l'on
a recours à un système de mesures solidement liées
à la physique fondamentale. Celle-ci, sur laquelle reposent toutes
les techniques avancées actuelles, ne peut elle-même être
fiable que si ses prévisions peuvent être vérifiées
de façon quantitative. La vérification de théories
physiques au moyen d'expérimentations dont l'exactitude est toujours
plus grande et la détermination d'une série cohérente
de constantes physiques fondamentales contribuent de façon essentielle
aux progrès scientifiques et constituent une partie importante de
l'activité que l'on désigne sous le nom de métrologie
scientifique.
C'est dans le cadre du Système
International d'Unités que sont élaborées les références
correspondant à l'ensemble des mesures physiques, références
disséminées à travers le monde entier.
En fait, les premières tentatives d'harmonisation des références
remontent à la Révolution Française, à la fin
du 18ème siècle. Mais c'est en 1875 que la signature de la
Convention du Mètre, traité international qui régit
la métrologie mondiale, auquel adhèrent aujourd'hui la quasi
totalité des états, précise le contour de l'actuel
système de référence. Un Comité International
des Poids et Mesures (C.I.P.M.), assemblée de scientifiques de différentes
nations, fait des propositions aux diplomates de la Conférence Générale
des Poids et Mesures (C.G:P.M.) qui arrêtent les nouvelles définitions,
et chargent le Bureau International (B.I.P.M.) situé au Pavillon
de Breteuil, à Sèvres, de la mise en place des références
et du pilotage des intercomparaisons entre les divers étalons nationaux.
...dans
le cadre du Système international d'unités, ...
Ce système d'unités
cohérent et rationalisé a couvert peu-à-peu l'ensemble
du champ disciplinaire des mesures physiques, en mécanique, électrodynamique,
et plus récemment thermodynamique, physico-chimie, photométrie.
Il repose sur sept grandeurs de base, pour lesquelles les définitions
des unités correspondantes ont été précisées
: le mètre, la seconde, le kilogramme, l'ampère, le kelvin,
la mole, la candela. C'est un système évolutif qui tente
de mettre à profit les avancées les plus récentes
de la science pour permettre aux scientifiques et à tous les utilisateurs
industriels de disposer des outils les plus exacts, au sommet des chaînes
d'étalonnage nationales qui garantissent la traçabilité
des mesures. Les structures nationales garantes de la traçabilité
des mesures inscrivent bien entendu leur action dans ce cadre.
Les définitions obtenues
ont pour objectif d'assurer la pérennité, l'uniformité,
l'accessibilité et la plus grande exactitude possible des références
; elles sont de type très varié. A cet égard l'exemple
du mètre, qui a connu en deux siècles quatre définitions
successives, est intéressant pour appréhender ces évolutions;
d'abord lié à un système supposé invariable,
la longueur du méridien terrestre (1795), le mètre devient
en 1889 associé au prototype international, étalon matériel
particulier en plaine iridié ; les progrès de la spectroscopie
et de la physique quantique conduise à retenir en 1960 un multiple
de la longueur d'onde d'une radiation résonante sur une transition
dans l'atome de krypton.
En 1983, la définition du mètre change une dernière
fois : il est désormais établi à partir du phénomène
de propagation de la lumière dans le vide. La définition
traduit l'existence d'une loi physique fondamentale et impose le gel de
la valeur numérique d'une constante physique fondamentale, la vitesse
de propagation de la lumière c, qui vaut désormais exactement
299 792 458 ms-1. Étalon macroscopique terrestre, prototype,
étalon atomique, expression d'une loi physique fixant la valeur
numérique en SI d'une constante fondamentale, ces quatre définitions
successives montrent que ce système d'unités évolue
de façon pragmatique dans le sens de la prise en compte de toujours
davantage de science et de lois fondamentales.
Les autres unités
de base du SI traduisent cette variété de définitions
: la seconde est aujourd'hui réalisée avec une exactitude
relative de 10 -14, à l'aide d'une horloge atomique,
matérialisant la période d'une transition dans l'atome de
césium ; le kilogramme reste défini par le biais d'un prototype,
dont les copies peuvent être étalonnées à quelques
10-9 près ; la définition de l'ampère exprime
la loi de Laplace et permet d'établir au dixième de millionième
près les principaux étalons du domaine électriques;
le kelvin fait référence à la matérialisation
du point triple de l'eau pure, réalisée en pratique au dixième
de millilkelvin près ; la mole relie, par l'intermédiaire
de la masse de l'isotope 12 de l'atome de carbone, les grandeurs à
l'échelle atomique aux grandeurs macroscopiques ; enfin la candela
assure, à quelques millièmes près, le raccordement
entre les grandeurs radiométriques et le domaine photométrique
au sein duquel il est fait usage d'un instrument de mesure particulier,
"l'oeil humain moyen".
....qui
met à profit les effets nouveaux de la physique fondamentale.
De nombreux travaux sont
entrepris pour obtenir une exactitude plus grande, des références
plus pérennes ou plus accessibles. Ils portent principalement, aujourd'hui,
sur l'utilisation et la mise en oeuvre de phénomènes de physique
fondamentale. Dans le domaine électrique, mais les recouvrements
de ce domaine avec les grandeurs énergétiques, et donc le
kilogramme, sont nombreux, on cherche à mettre à profit les
effets quantiques macroscopiques découverts au cours des trente
dernières années : l'effet Josephson, aujourd'hui pour la
conservation du volt ; l'effet Hall quantique pour la conservation de l'ohm
; les effets monoélectriques dont la matérialisation pratique
à un haut niveau d'exactitude permettrait de boucler le triangle
de la métrologie quantique et d'introduire dans la détermination
des constantes fondamentales h (constante de Planck) et e (charge de l'électron)
la redondance nécessaire à l'estimation des incertitudes
associées. De même les progrès en spectroscopie atomique,
ceux accomplis dans l'évaluation des caractéristiques des
systèmes microscopiques, permettent d'espérer de substantielles
améliorations. Aujourd'hui pour la seconde par exemple, la perspective
d'obtenir et d'observer expérimentalement des systèmes composés
d'atomes pratiquement immobiles, pratiquement isolés, et de construire
à partir de ces atomes des horloges dans le domaine optique, devient
peu à peu une réalité grâce aux méthodes
de ralentissement et de refroidissement par laser. L'interférométrie
atomique semble une technique de gravimétrie prometteuse. L’Echelle
Internationale de Température promulguée en 1990, et qui
fait appel à un instrument d'interpolation particulier (le thermomètre
à résistance de platine) entre des points fixes de référence
nombreux, peut être utilement complétée par la mise
en oeuvre d'effets physiques nouveaux dans le domaine des très basses
températures... etc.
Il y a cinquante ans G.A.BOUTRY, professeur au CNAM et directeur
du Laboratoire National d’Essais, estimait dans son opuscule intitulé
"Introduction à l'art de la mesure" que pour accomplir les opérations
les plus spectaculaires de la physique, il est nécessaire de mesurer
quelques temps, quelques longueurs, quelques masses, directement ou d'une
autre manière. Pour garantir aujourd'hui la traçabilité
des mesures de temps, masse, longueur, au profit des scientifiques qui
testent les théories physiques comme dans les cas plus directement
applicables au monde industriel ou dédiés à la satisfaction
des besoins de notre société, il est nécessaire que,
dans les laboratoires, les métrologues accomplissent certaines des
opérations parmi les plus spectaculaires de la physique moderne.