Figure de la Terre et histoire du mètre - Définition

La définition du mètre de 1960

Ce n'est que vers la fin des années 1950 qu'on parvenait à séparer des isotopes purs. On se rendit alors compte qu'une raie du krypton-86 à 6057,80 Å avait toute la finesse voulue pour servir de nouvel étalon naturel à l'unité de longueur. La 11^e CGPM décida donc le 14 octobre 1960 que « le mètre est la longueur égale à 1 650 763,73 longueurs d'onde dans le vide de la radiation correspondant à la transition entre les niveaux 2p₁₀ et 5d₅ de l'atome de krypton-86 ». S'agissant d'un étalon naturel, tout laboratoire convenablement équipé pouvait donc reproduire le mètre et mesurer interférométriquement des longueurs avec ce nouvel étalon. A condition de respecter les règles de mise en pratique publiées séparément, on pouvait reproduire le mètre à mieux que ± 4 x 10^–9 près dans des laboratoires indépendants.

Le nombre 1 650 763,73 avait été choisi pour assurer le raccordement aux définitions antérieures du mètre et pour conserver la valeur de la longueur d'onde de la radiation rouge du cadmium, laquelle servait de référence aux valeurs publiées dans de nombreuses tables de longueurs d'onde utilisées par les spectroscopistes. Cependant, cette troisième définition du mètre avait un défaut, qui allait se montrer gênant pour le progrès de la géodésie spatiale et même pour le progrès de la géodésie bidimensionnelle : la lumière de la lampe à krypton-86, bien que parfaitement monochromatique, n'est pas cohérente et permet à peine d'atteindre une différence de marche optique d'un mètre. Or, avec l'arrivée sur le marché d'instruments géodésiques mesurant des distances (géodimètres, telluromètres) qui remplaçaient en partie les instruments classiques de mesure d'angles, à savoir les théodolites, les réseaux géodésiques dépendaient de plus en plus de trilatérations au détriment des traditionnelles triangulations. Ces mesures, qui mettent en œuvre des distances bien plus grandes que le mètre, sont basées sur la propagation d'ondes électromagnétiques. Soit ∆t la durée nécessaire à ces ondes pour effectuer un trajet aller-retour entre un émetteur/récepteur (un géodimètre, p.ex.) et une mire réfléchissante (un prisme à réflexion totale). En englobant dans ∆t des corrections tenant compte de l'état de l'atmosphère et à condition de pouvoir déterminer des différences de chemin optique très grandes pour pouvoir appliquer les techniques interférométriques, la distance émetteur–mire s'obtient avec grande précision grâce à la formule d = ½ c ∆t, c étant la vitesse de la lumière dans le vide.

Afin d'obtenir une précision optimale, deux conditions essentielles sont donc à remplir : d'une part, il faut disposer d'une source de lumière stable, intense, directive (autrement dit, cohérente) et extrêmement monochromatique ; d'autre part, il faut connaître la vitesse de la lumière avec un maximum de précision. En ce qui concerne la première condition, de telles sources sont justement apparues vers 1960, mais n'étaient pas très stables ni très intenses au début. Cependant, elles ont vite été améliorées jusqu'à devenir parfaitement adaptées à l'interférométrie jusqu'à des différences de marche pratiquement illimitées. Ces sources s'appellent des masers lorsqu'elles utilisent du rayonnement infrarouge et des lasers lorsqu'elles utilisent de la lumière visible. On pensa donc très vite après 1960 à remplacer le krypton-86 par un laser. Mais quel laser choisir ? La solution s'est très vite imposée avec les prodigieux progrès faits très vite dans la mesure du temps, elle aussi basée sur les lasers. En effet, la mesure des fréquences des radiations émises par les divers lasers s'appuie sur les méthodes classiques de la radioélectricité. Elle consiste en une multiplication de fréquence par génération d'harmoniques suivie d'une mesure de la fréquence des battements entre un harmonique d'ordre connu et la fréquence inconnue du laser. En peu de temps, de véritables chaînes de multiplication de fréquence ont ainsi permis de relier la fréquence de définition de la seconde, vers 10 GHz, d'abord aux fréquences de l'infrarouge (de l'ordre de 100 THz à une longueur d'onde de 3 µm) pour les masers, puis jusqu'aux fréquences visibles (de l'ordre de 500 THz à une longueur d'onde de 0,6 µm).