Système international d'unités

Le Système international d'unités (abrégé en SI), inspiré du système métrique, est le système d'unités le plus largement employé du monde. Il s'agit d'un système d'unités décimal (on passe d'une unité à ses multiples ou sous-multiples à l'aide de puissances de 10). C'est la Conférence générale des poids et mesures, rassemblant des délégués des États membres de la Convention du Mètre, qui décide de son évolution, tous les quatre ans, à Paris. L'abréviation de « Système International » est SI, quelle que soit la langue utilisée.

La norme internationale ISO 1000 (ICS 01 060) décrit les unités du Système international et les recommandations pour l'emploi de leurs multiples et de certaines autres unités.

Présentation

Le Système international compte sept unités de base : le mètre, le kilogramme, la seconde, l'ampère, le kelvin, la mole et la candela, censées quantifier des grandeurs physiques indépendantes. Chaque unité possède en outre un symbole (respectivement : m, kg, s, A, K, mol et cd).

De ces unités de base on déduit des unités dérivées, par exemple l'unité de vitesse du système international, le mètre par seconde. Certaines de ces unités possèdent un nom particulier.

Il existe également des préfixes officiels permettant de désigner les unités multiples et sous-multiples d'une unité. Par exemple, le sous-multiple du mètre valant 0,01 m est appelé centimètre (symbole cm) puisque le préfixe correspondant à 10 est centi-.

Règles orthographiques et typographiques

Les unités ne peuvent être désignées que par leur nom, ou par leur symbole. Il ne faut pas mélanger les symboles (entités mathématiques) et les noms des unités ; ainsi on écrira toujours « newton par kilogramme » et jamais « newton par kg ». Les abréviations — telles « sec » pour la seconde (s), « mn » pour la minute (min) ou « cc » pour le centimètre cube (cm) — sont prohibées.

Les symboles des unités commencent par une majuscule si l'unité dérive d'un nom propre, et une minuscule dans le cas contraire. Ainsi on peut comparer les symboles du pascal (Pa) et de la seconde (s). La seule exception à cette règle est le symbole du litre, qui peut s'écrire au choix l ou L, pour éviter les confusions avec le chiffre 1. Les symboles des unités sont toujours écrits en caractères romains quelle que soit la police du texte où ils figurent : ils ne sont pas mis en italique ni suivis d'un point. Ils constituent des entités mathématiques et non des abréviations ; ainsi on écrit « 30 cm » et non pas « 30 cm. » ni « 30 cms ».

Les symboles des unités sont obligatoirement précédés d'une espace insécable (exceptions faites des symboles des unités sexagésimales d'angle, exemple : 40° 16' 25" et des degrés d’alcool, exemple : alcool à 90°). Ainsi, on écrit « 30 cm » et non pas « 30cm » ; de même, on écrira « 30,2 °C » et non pas « 30,2°C » (ni « 30,2° C », le symbole °C du degré Celsius étant formé de deux éléments indissociables).

Le nom des unités est un nom commun : même si l'unité dérive d'un nom propre, la première lettre du nom d'une unité est donc toujours une minuscule (contrairement à son symbole) ; en toutes lettres, le nom d'une unité prend la marque du pluriel. On écrit ainsi trois ampères, deux teslas.

N.B. : contrairement au cas du kelvin, le nom du degré Celsius (°C) est composé, c'est la première lettre du mot degré qui prend la minuscule et la marque du pluriel : on écrit deux degrés Celsius.

Les notations de la division et de la multiplication s'appliquent aux symboles des unités dérivées : ainsi on peut écrire le symbole du mètre par seconde m·s ou m/s et celui du kilowatt-heure kWh ou kW·h. En ce qui concerne la division, tout ce qui est affecté d'un exposant négatif est énoncé à la suite de la barre oblique ou du mot par : ainsi, l'unité SI de vitesse est le mètre par seconde (m/s), la forme « mètre seconde » étant incorrecte (elle désignerait le produit d'une distance par un temps). Pour éviter les notations ambiguës, on n'utilise jamais plus d'une barre oblique dans le symbole d'une unité (sinon A/m/s pourrait être le symbole de l'ampère par mètre par seconde, A·m·s, ou celui de l'ampère seconde par mètre, A·s·m ou A·s/m). En cas de produit d'unités, on utilise un tiret ou une espace dans le nom de l'unité dérivée. Ainsi, les bonnes orthographes de l'unité dont le symbole est kWh sont kilowatt-heure et kilowatt heure.

Pour former les noms des unités multiples et sous-multiples, des préfixes du système international sont simplement accolés (sans espace ni tiret) devant l'unité, toujours sans mélanger les symboles (entités mathématiques) et les noms des unités et préfixes : kilomètre (ou km), milliseconde (ou ms). On ne peut pas accoler plusieurs préfixes à une unité (nanomètre mais pas millimicromètre). Ainsi, même si le décanewton (daN) est une unité correcte (qui traduit approximativement l'ancien kilogramme-force), le kilodécanewton (kdaN, qui traduirait la tonne-force) ne l'est pas. De même, un hectopascal (hPa) est une unité correcte, mais le kilo-hectopascal (khPa, qui correspond sensiblement à une pression d'une atmosphère) ne l'est pas.

N.B.: dans le cas du kilogramme, unité de base qui pour des raisons historiques comporte dans son nom le préfixe kilo, les multiples et sous-multiples restent formés sur le gramme.

Avant la Révolution française : premières ébauches d'un système d'unités universel

La première tentative notable d'établir des unités universelles (c'est-à-dire fondées sur des phénomènes physiques reproductibles) est sans conteste celle de John Wilkins, un scientifique anglais membre de la Royal Society, qui définit en 1668 une longueur puis un volume universels et enfin une masse universelle (celle de la quantité d'eau de pluie contenue dans un cube de côté valant la longueur universelle). La longueur universelle ainsi définie est prise comme valant 38 pouces de Prusse (approximativement 993,7 mm) soit environ celle d'un pendule simple dont la demi-période des petites oscillations est d'une seconde.

En 1675, le savant italien Tito Livio Burattini renomme la mesure universelle de John Wilkins mètre et en prend pour définition exacte celle du pendule précédemment décrit (et non plus 38 pouces de Prusse), aboutissant ainsi à une longueur de 993,9 mm. Cette valeur dépend cependant de l'accélération de la pesanteur et varie donc légèrement d'un lieu à l'autre.

La Révolution française et la naissance du système métrique

En 1790, l'Assemblée nationale constituante se prononce, sur proposition de Talleyrand, pour la création d'un système de mesure stable, uniforme et simple, et c'est l'unité de Burattini qui est choisie comme unité de base. Suite à la remarque (voir supra) sur ce que la longueur du pendule battant la seconde n'est pas la même selon l'endroit où on se trouve, c'est finalement la dix millionième partie d'un quart de méridien qui est choisie provisoirement en 1793. Avec le mètre sont définies les unités de volume et de masse : on crée ainsi le système métrique décimal, permettant de convertir plus aisément les unités puisque désormais, pour passer d'une unité à ses multiples (et sous-multiples), il suffit de déplacer la virgule. Cette même année, l'Assemblée nationale prévoit la création d'étalons pour le mètre et le grave (nom original du kilogramme). La définition ainsi choisie est définitivement adoptée le 18 Germinal an III (7 avril 1795) par décret de la Convention nationale française. Ce système métrique est alors désigné par le sigle MKpS, pour mètre, kilogramme-poids, seconde.

Les étalons du mètre et du grave, en platine, prévus par les décrets de l'Assemblée nationale sont déposés aux Archives nationales de France le 4 Messidor an VII (22 juin 1799), ce qui est parfois considéré comme l'acte fondateur du système métrique.

Introduit par la loi du 1 vendémiaire an IV (23 septembre 1795), le système métrique a été rendu obligatoire en France à l'occasion de son cinquième anniversaire par l'arrêté du 13 brumaire an IX (4 novembre 1800), l'emploi de tout autre système étant interdit.

Après la Restauration française, le système métrique est aboli en France (les noms des unités avaient été modifiés en 1800 puis le système métrique proprement dit fut retiré en 1812). C'est le Royaume-Uni des Pays-Bas (qui regroupe alors les futurs pays du Benelux) qui le réadopte le premier en 1816, sur l'impulsion de son souverain Guillaume I des Pays-Bas, quatorze ans avant la révolution française de 1830 qui signe sa réintroduction en France.

En France, depuis la loi du 4 juillet 1837, l'emploi d'autres unités dans les actes administratifs officiels est passible d'amendes.

Évolutions du système métrique au XIX siècle

En 1832, Gauss travaille pour l'application du système métrique comme système d'unités cohérent en sciences physiques. Il établit des mesures absolues du champ magnétique terrestre en utilisant un système d'unités fondé sur les unités centimètre, gramme et seconde parfois appelé « Système de Gauss ».

Dans les années 1860, Maxwell et Thomson s'impliquent au sein de la British Association for the Advancement of Science (BA), fondée en 1831, pour la mise en place d'un système d'unités composé d'unités de base et d'unités dérivées. Ceci aboutit en 1874 à la création du « système CGS » fondé sur les unités centimètre, gramme et seconde.

Dans les années 1880, la BA et le Congrès international d'électricité, ancêtre de la Commission électrotechnique internationale, s'accordent sur un système d'unités pratiques, parmi lesquelles l'ohm, le volt et l'ampère.

Depuis la fondation de la Convention du Mètre

La Convention du Mètre est créée en 1875 et instaure le Bureau international des poids et mesures (BIPM), le Comité international des poids et mesures (CIPM) et la Conférence générale des poids et mesures (CGPM). La 1 CGPM a lieu en 1889 et adopte de nouveaux prototypes pour le mètre et le kilogramme. Le système d'unités consacré est donc le « système MKS », du nom de ses unités de base, le mètre, le kilogramme et la seconde.

En 1901, le physicien Giorgi avait montré qu'il était possible de combiner les unités électriques à celles du système MKS en ajoutant à ce dernier une unité électrique. La discussion de cette proposition par des organisations internationales parmi lesquelles l'Union internationale de physique pure et appliquée (IUPPA) et la Commission électrotechnique internationale aboutit en 1946 à l'adoption par le CIPM du « système MKSA », fondé sur le mètre, le kilogramme, la seconde et l'ampère. En 1954, après une enquête du BIPM ayant commencé en 1948, la CGPM entérine l'adoption des unités de base supplémentaires que sont l'ampère, le kelvin et la candela.

Il reste alors peu d'étapes avant l'achèvement du système métrique tel que nous le connaissons. Tout d'abord, lui donner son nom actuel (Système international d'unités avec comme abréviation internationale SI). C'est chose faite en 1960. Ensuite, lui adjoindre comme dernière unité la mole, ce qui est fait en 1971.

La plupart des pays du monde ont fait du système international leur système officiel d'unités. En Asie de l'Est cela fut au début du XX siècle. Cette action (passer officiellement d'un système d'unités national au système métrique) s'appelle métrification. Il est, de plus, légal d'utiliser le système international d'unités dans tous les pays du monde.

En 2008, seuls trois pays dans le monde n'ont pas officiellement migré vers le système international : les États-Unis, le Libéria, la Birmanie. Cependant, aux États-Unis, l'usage du système métrique est de plus en plus répandu parmi les scientifiques.

Au Royaume-Uni, l'usage du système métrique est obligatoire dans les domaines du commerce, de la santé publique, de la sécurité et de l'administration (bien que l'équivalent en unités impériales soit toléré), sauf pour la vente de la bière (et de lait dans des contenants réutilisables), la signalisation routière et les transactions de métaux précieux. À cette liste il faut également ajouter les domaines dans lesquels l'usage d'unités non métriques est autorisé dans la plupart des autres pays (aviation, navigation, etc.). Contrairement à une idée reçue, le système international est donc officiellement adopté au Royaume-Uni.

La plupart des unités de mesures non-métriques sont définies à partir des unités du Système international. Par exemple, le National Institute of Standards and Technology édite une table des définitions des unités de mesure américaines à partir des unités métriques.