Figure de la Terre et histoire du mètre - Définition
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Le mètre-étalon de 1889
On sait que le Mètre des Archives est trop court d'environ un cinquième de millimètre par rapport à sa définition de 1791 – c'est-à-dire par rapport à la vrai distance pôle-équateur – mais ce n'est pas ce fait qui déclencha, vers 1860, le mouvement qui devait conduire à une nouvelle définition du mètre. C'est plutôt la qualité métrologique de l'étalon des Archives qui se révélait peu à peu insuffisante vis-à-vis des besoins croissants d'exactitude, tant pour les mesures géodésiques que pour les mesures physiques. Ainsi, il était difficile d'étalonner une règle métrique à 0,1 mm près à partir de cet étalon, dont les extrémités sont assez grossièrement ajustées. Cette qualité métrologique était largement suffisante en 1799, mais plus en 1860. Par exemple, des incohérences se manifestaient lorsqu'on essayait de raccorder entre eux les relevés géodésiques des différents pays pour constituer un réseau géodésique européen. La Convention du Mètre, signée le 20 mai 1875 par dix-huit États, créa le Bureau international des poids et mesures (BIPM). La mission de ce laboratoire scientifique permanent était de conserver des étalons internationaux du mètre et du kilogramme et de vérifier les étalons nationaux.
Une commission internationale, dans laquelle la section française était évidemment la plus active, travailla de 1870 à 1888 pour élaborer les nouveaux étalons internationaux et nationaux. Un cahier des charges très rigoureux fut élaboré. Il spécifiait notamment la pureté du métal à utiliser pour fabriquer les étalons, à savoir du platine allié à 10% d'iridium. Il s'agissait en gros du même métal que celui employé pour les étalons de 1799, mais plus pur et plus homogène. Il décrivait aussi le profil en X des règles métriques, qui devaient être des règles à traits gravés dans le plan de la fibre neutre, et les tolérances sur les écarts mesurés entre les différents prototypes. Parmi les règles ainsi réalisées, on en choisit une commePrototype International. Sa longueur reproduisait avec toute l'exactitude qu'on pouvait atteindre celle du Mètre des Archives. C'est finalement le 26 septembre 1889 que la Première Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) put procéder par tirage au sort à la distribution des nouveaux étalons et sanctionner le Prototype International en ces termes : « les dix-huit États signataires de la Convention du Mètre… sanctionnent à l'unanimité… le prototype du mètre choisi par le Comité international ; ce prototype représentera désormais, à la température de la glace fondante, l'unité métrique de longueur. » Cette fois-ci, il s'agit d'une redéfinition du mètre qui supplante celle de 1799, puisque plus aucune référence n'est faite à la longueur du quart de méridien. Toutefois, le rattachement à la définition originale de 1795 reste implicite. En effet, ce n'est pas un prototype quelconque qu'on a choisi comme étalon international, mais bien celui qui reproduisait au mieux le Mètre des Archives, lequel reproduisait au mieux la dix-millionième partie du quart de méridien.
La définition de 1889 mentionne explicitement la température de l'étalon. Les besoins en précision des mesures allant croissants, d'autres facteurs physiques allaient devoir être spécifiés plus tard. Ainsi, lors de la 7e CGPM qui s'est tenue en 1927, on apportait les précisions suivantes, qui ne constituaient toutefois pas une nouvelle définition du mètre : « L'unité de longueur est le mètre défini par la distance, à 0°C, des axes des deux traits médians tracés sur la barre en platine iridié déposée au Bureau international des poids et mesures, cette règle étant soumise à la pression atmosphérique normale et supportée par deux rouleaux d'au moins un centimètre de diamètre situés symétriquement dans un même plan horizontal et à la distance de 571 mm l'un de l'autre ». Des précisions subsidiaires, on pourrait en mettre d'autres. Ainsi, on pourrait par exemple indiquer l'intensité de la pesanteur et les conditions d'éclairement et d'observation des traits gravés. On serait alors amené à rédiger des définitions de plus en plus compliquées, chaque fois que la qualité croissante des mesures exigerait de préciser l'une ou l'autre condition considérée jusque là comme mineure. En fait, la démarche actuelle est de donner une définition simple et claire, fondée si possible sur un phénomène naturel, et de donner séparément des règles de mise en pratique, où l'on précise les précautions à prendre pour mettre en œuvre la définition lorsqu'on veut obtenir une exactitude prescrite. Il est ainsi possible de réviser la mise en pratique sans toucher à la définition.
Quelques physiciens, parmi lesquels le Français Jacques Babinet (1794–1872) et l'Écossais James Clerk Maxwell (1831–1879), avaient suggéré bien avant 1889 d'employer une longueur d'onde associée à la lumière comme étalon naturel de longueur. Le problème était de passer de façon très précise d'une telle quantité microscopique à une longueur macroscopique. Cela devenait possible avec l'interféromètre inventé par le physicien américain d'origine polonaise Albert A. Michelson (1852–1931). En 1892--1893, Michelson mesurait avec son collègue français J.R. Benoît au BIPM la longueur d'onde d'une radiation rouge émise par une lampe à cadmium, dans l'espoir que cette radiation servirait de base à une nouvelle définition du mètre. Toutefois, la raie rouge du cadmium naturel n'avait pas toute la finesse requise pour supplanter la règle en platine iridié, mais elle devint l'étalon privilégié de longueur d'onde pour la spectroscopie et la physique atomique pendant un demi-siècle.
