Histoire de la métrologie : de l´Egypte ancienne au Système international d´unités (SI)
Des plus hauts gratte-ciel du monde à la confection de chaussures parfaitement ajustées, la précision des mesures est un enjeu primordial. Pourtant, les mesures et leur impact sont quelque chose de si quotidien que nous n´y prêtons plus vraiment attention.
Depuis toujours, l´humanité pratique une la science de mesure sous une forme ou une autre. C´est ce que l´on appelle la métrologie. Nos ancêtres cherchaient déjà à comprendre le monde en déterminant sa longueur, son volume, sa masse, etc. Pourtant, le chemin menant à l´adoption de normes de mesure mondialisées, en particulier le Système international d´unités (SI), a été long et tortueux.
Aujourd´hui, une unité comme le centimètre ou le kilogramme désigne la même quantité partout dans le monde, mais cela n´a pas toujours été le cas. Pendant des milliers d´années, l´humanité n´avait que très peu de règles universellement acceptées en matière de mesure, ce qui compliquait le commerce, la communication et entravait les progrès de la science. Nous étions alors bien loin des normes actuelles qui régissent en grande partie notre vie quotidienne.
La Pesée du cœur issue du Livre des morts. Mention de source : Wikimedia
Comment avons-nous développé et mis en œuvre un système normalisé aujourd´hui utilisé dans le monde entier ? Notre histoire commence il y a environ 5 000 ans. C´est de cette époque que datent les premières traces de normes utilisées dans le monde antique.
La métrologie dans l´Antiquité
Le concept de mesure n´a pas été inventé à un moment de l´Histoire ou dans un lieu précis. Partout dans le monde, les civilisations antiques ont chacune élaboré des moyens de quantifier des grandeurs comme le poids, la longueur, le volume et le temps.
Dans la vallée de l´Indus, en Asie du Sud, les Harappa ont développé l´un des premiers systèmes de mesures normalisé, environ 3 500 ans avant notre ère. Des briques de taille uniforme, retrouvées dans les bains et les systèmes de drainage dans les villes, attestent d´un accord à l´échelle régionale sur les dimensions des matériaux de construction. Si la manière de faire appliquer ces normes reste un mystère, nous savons au moins que l´Humanité a débuté sa quête de cohérence métrologique depuis au moins 5 000 ans.
Réplique d´une coudée égyptienne. Mention de source : NIST
Vers 2 900 av. J.-C., dans l´Egypte antique, la coudée devient un étalon officiel reconnu par l´Etat sous le règne du pharaon Khéops, qui supervise la construction de la grande pyramide de Gizeh. Aujourd´hui, elle est largement reconnue comme la première mesure de longueur normalisée enregistrée. Une coudée correspondait à la longueur de l´avant-bras du pharaon, une unité que les autorités matérialisèrent sous la forme d´une tige physique que les artisans et les maçons pouvaient utiliser sur leurs chantiers.
Les angles presque parfaits de la grande pyramide de Gizeh, dont chaque coin forme un angle droit avec une précision de 3/1000 de degré, ne doivent rien au hasard. Les Egyptiens avaient compris l´importance d´adopter une unité normalisée pour garantir la précision, plutôt que de se fier à des descriptions abstraites pour concevoir et bâtir leurs grandes structures.
Ainsi, beaucoup des premières mesures utilisées dans le monde reposaient sur des parties du corps, notamment les mains ou les pieds, qui varient souvent d´une personne à l´autre. Dans l´Antiquité, les Romains et les Grecs utilisent les pieds et les mains pour les mesures, mais comme les Egyptiens, ils normalisent ces mesures dans toutes les régions et au fil du temps pour garantir la cohérence. Aujourd´hui encore, des pays comme les Etats-Unis utilisent le pied comme unité de mesure, mais il a été entre-temps établi qu´un pied mesure exactement 12 pouces, soit 30,48 centimètres.
Comme on pouvait s´y attendre, le fait que chaque civilisation dispose de ses propres systèmes de mesure complique les conversions à des fins commerciales. Ces difficultés, découlant de l´utilisation d´unités de mesure incohérentes, perdurent pendant des milliers d´années, et ce n´est qu´au 18e siècle l´on voit apparaître les premières tentatives sérieuses de définir des normes internationales.
L´essor des systèmes de mesure régionaux
Après la chute de l´Empire romain en 476, l´Europe se transforme considérablement. De nouvelles sociétés et de nouveaux royaumes voient le jour, et avec eux, de nouveaux systèmes de mesure régionaux. De nombreuses villes érigent des statues ou des plaques sur la place publique qui peuvent servir de référence pour mesurer des objets, en particulier dans le cadre des échanges commerciaux. Cependant, même si les unités partagent une même base similaire, elles pouvaient mesurer plusieurs centimètres de plus dans une ville que dans une autre.
Ainsi, au Moyen-Age, la ville de Dubrovnik, en Croatie, utilise une unité appelée l´aune de Dubrovnik. Celle-ci est fondée sur la mesure de l´avant-bras d´une statue commémorant un héros de l´époque carolingienne, le chevalier Roland. Une autre statue de Roland, à Brême, en Allemagne, sert quant à elle de base à un autre étalon de mesure appelé l´aune de Brême. Seulement, à Brême, on a utilisé la distance séparant les genoux de Roland pour définir cette aune. En mesures modernes, ces deux aunes diffèrent également : l´aune de Dubrovnik mesure 51,2 centimètres, et l´aune de Brême, 55,9 centimètres.
Dans l´Europe médiévale, les différences de mesure d´une région à l´autre ne sont pas la seule chose qui empêche l´établissement de normes universelles. Les commerçants utilisent souvent des mesures différentes de celles fixées par les décrets royaux officiels, ce qui entraîne une confusion généralisée sur la valeur et les paramètres de telle ou telle unité. Sans compter que la valeur d´une unité peut aussi varier à l´accession au trône d´un nouveau roi. Les monarques de l´époque peinent à imposer des étalons, et toutes les tentatives de mesure relèvent généralement du véritable chaos.
Au 14e siècle, l´Europe entre dans la Renaissance, qui voit un essor de la pensée scientifique. Les premiers à promouvoir la méthode scientifique, comme Galilée et Isaac Newton, s´appuient sur des expériences reproductibles pour tirer des conclusions. Cela implique d´utiliser des paramètres identiques, y compris les mesures, qui puissent être reproduits de manière constante, parfois par d´autres chercheurs. En l´absence de normes universelles et cohérentes, les scientifiques ont pris conscience qu´ils ne seraient pas en mesure de garantir la précision des résultats de leurs expériences.
Une gravure du 18e siècle représentant John Wilkins. Mention de source : Bibliothèque nationale du pays de Galles
Il y eut bien quelques propositions visant à créer des unités universelles, comme celle formulée en 1668 par le clerc anglais John Wilkins. Celui-ci invente des unités normalisées pour la masse, le volume, la longueur et la surface qui peuvent être utilisées par les philosophes. Cependant, son système, ainsi que d´autres systèmes similaires, ne bénéficie pas de l´influence politique et technologique nécessaire pour être déployé à plus grande échelle.
Ce manque de cohérence universelle atteint un point d´ébullition en 1790, pendant la Révolution française. A la fin du 18e siècle, à l´échelle de la France seulement, on estime qu´un quart de million de mesures différentes sont utilisées dans le pays, ce qui complique grandement la vie quotidienne. Les dirigeants de la République nouvellement fondée comprennent l´entrave que représentent ces incohérences dans les mesures pour le commerce, l´influence politique et les progrès de la science. Ils font donc de la mise en œuvre de nouvelles normes nationales de mesure une priorité.
La naissance du système SI moderne
En France, l´Académie des sciences établit, pour tous les poids et toutes les mesures, des normes qui seront utilisées dans toute la République. L´objectif est de créer un système scientifique basé sur la nature qui soit suffisamment logique, mais aussi suffisamment simple pour être utilisé au quotidien. Aujourd´hui, nous connaissons ce système de règles sous le nom de système métrique ou Système international d´unités (SI).
La mission de l´Académie des sciences était de définir des normes pour des mesures telles que la longueur, le volume et la masse. Les académiciens commencent par une unité de longueur, qu´ils appellent « mètre ». Le terme vient du mot grec « metron », qui signifie « mesure ». Il devient la base de l´ensemble du système métrique, lequel fournit leur valeur à toutes les autres mesures.
Les géomètres français Pierre François André Méchain et Jean-Baptiste Joseph Delambre ont été envoyés pour mesurer un arc de méridien de la Terre entre Dunkerque et Barcelone dans le but de créer une mesure de distance universelle. Leurs mesures comportaient quelques erreurs, mais la définition du mètre est restée. Mention de source : NIST
Un mètre équivaut à dix millionièmes de la distance entre l´équateur et le pôle Nord. Des scientifiques du 18e siècle réalisent ce calcul à partir de mesures réelles prises lors d´une expédition au départ de Dunkerque, en France, qui les mène jusqu´à Barcelone, en Espagne. Connaître les latitudes exactes de ces deux villes leur permet d´évaluer avec précision la distance qui sépare deux points directement alignés nord-sud l´un par rapport à l´autre. Cette information leur suffit pour extrapoler la distance séparant le pôle Nord de l´équateur, même si nous savons aujourd´hui que l´estimation initiale était légèrement erronée, ce qui explique que le mètre est environ 0,2 mm plus court que ce qu´il devrait être.
Le gouvernement français adopte officiellement le système de mesure en 1795, mais ce n´est qu´en 1840 que son emploi devient obligatoire pour tous les citoyens. Le mètre et les unités qui l´accompagnent ne sont pas accueillis chaleureusement par tous, car les populations ont été progressivement contraintes d´abandonner les anciennes mesures auxquelles elles étaient habituées. D´autres nations se mettent progressivement à adopter le système métrique après que la France a rendu son utilisation obligatoire, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle ère de mesures uniformes d´un pays à l´autre.
La Convention du Mètre, signée en 1875, marque le premier accord majeur entre nations visant à adopter collectivement le système métrique. Les 17 pays qui y participent, dont les Etats-Unis, se dotent rapidement de normes principales valables sur leur territoire. En 1900, 35 pays ont accepté d´adopter le système métrique. Aujourd´hui, celui-ci constitue la norme pour presque tous les pays du monde. Même les Etats-Unis, qui utilisent principalement les unités usuelles américaines, enseignent toujours le système métrique à l´école.
L´avenir de la métrologie
La Convention du mètre de 1875 ouvre la voie à un autre développement majeur dans le domaine de la métrologie : la création du Bureau international des poids et mesures (BIPM). Aujourd´hui, ce bureau normalise les mesures au niveau mondial pour toutes les unités rattachées au SI.
Les barres de mètre, comme ces modèles en platine-iridium, servirent d´étalon de longueur jusqu´en 1960. Mention de source : NIST
La Conférence générale des poids et mesures, l´organe décisionnel du Bureau international des poids et mesures (BIPM), se réunit tous les quatre ans pour discuter des modifications à apporter aux normes. Parfois, il s´agit de redéfinir une unité, comme cela a été fait en 2018 pour le kilogramme, l´ampère, la mole et le kelvin. D´autres fois, ces réunions enrichissent la terminologie SI pour répondre aux besoins des nouvelles technologies, comme ce fut le cas lors de la conférence de 2022.
Toute modification d´envergure émanant du BIPM est significative et entraîne des répercussions dans quasiment tous les domaines scientifiques. Pour autant, les normes de mesure ne sont pas gravées dans le marbre : elles doivent être vérifiées et mises à jour régulièrement. C´est ce qu´exige la démarche scientifique, et cela va dans le sens de l´objectif de la métrologie, qui est de mesurer avec autant de précision que possible.