La naissance du kilogramme

Du "grain" au cylindre de platine irridié...

Succession d'étalons de masse

Le prototype international du kilogramme, cylindre en platine iridié conservé au pavillon de Breteuil du Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Sèvres depuis 1889 est aujourd’hui encore la référence internationale de l’unité de masse. C’est dans les murs de cette institution internationale que sont comparés à intervalles très espacés et plus ou moins réguliers les kilogrammes de référence nationale au prototype international, pour les pays adhérant à la Convention du mètre.

Pour la métrologie moderne, il apparaît comme le représentant d’une époque où les étalons visaient à matérialiser, d’une manière accessible aux sens humains, la grandeur qu’ils étaient supposés définir. À ne donner qu’en exemple les trois unités de base du Système métrique de 1889 : la longueur d’un objet étendu pour l’unité de longueur (une règle métallique particulière, le prototype international du mètre), la durée d’un intervalle de temps pour l’unité de temps (la fraction 1/86 400 du jour solaire moyen) ou encore la masse d’un objet matériel massif pour l’unité de masse (un cylindre droit métallique particulier, le prototype international du kilogramme).

À ce jour, le kilogramme est la dernière des sept unités de base [1] du Système international d’unités (SI) qui soit toujours directement définie par un objet matériel plutôt que par une propriété physique fondamentale pouvant être reproduite dans différents laboratoires. Le prototype international du kilogramme est le dernier avatar d’une succession historique d’étalons de masse (dénommés étalons de « poids » dans les documents anciens), dont quelques jalons sont donnés ci-après : « Tous poids sont composés d’un grain, qui est comme élément des autres poids auquel ils sont déterminés. Le dit grain doit estre entendu d’orge, non trop sec ny humide, et chancy [moisi], mais bien nourry et médiocrement gros : de tels dix grains est faict un obole ou demy scrupule : de 2 oboles ou 20 grains, un scrupule, puis de 3 scrupules ou 60 grains est composée la drague. De 8 drachmes l’once étant, que de 12 onces nous faisons la livre médicinale, qui est presque le plus haut poids [masse] duquel nous usons communément et peut se résoudre en drachmes, scrupules, oboles et finalement en grains, outre lesquels n’est possible descendre plus bas… » [2]. Ce texte a été publié en 1575 par Ambroise Paré, considéré comme le père de la chirurgie moderne. Il montre la diversité des unités de masse, la correspondance non décimale entre les différentes valeurs de masse, mais surtout leur manque de justesse. L’étalon de base est le grain d’orge, ni trop sec, ni trop humide, ni moisi, mais bien nourrit et médiocrement gros !

Deux siècles plus tard, à la veille de la Révolution française, il n’y a toujours pas un seul « poids » que l’on puisse dire être juste. « Si les poids ne sont pas justes, c’est parce qu’ils constituent l’un des privilèges majeurs des seigneurs qui les choisissent à leur gré. Chaque prince, duc ou marquis, chaque comte ou vicomte, chaque possesseur d’un petit bout de territoire dont il est le maître veut sa propre mesure : dans mes terres, on pèse et on mesure ainsi que je le décide. A mes gens d’armes et à mes poids et mesures, on doit se soumettre, ils témoignent tous deux de ma souveraineté sur les terres que je gouverne. » [2]. Partout, la population fait part de son mécontentement face à cette injustice. La différence des poids et mesures se traduit par une infinité de complications, d’abus et de fraudes qui constituent des entraves importantes au commerce. Les seigneurs qui possèdent le pouvoir métrologique, peuvent modifier à leur guise la définition de la masse : en prenant par exemple un grain d’orge plus gros que le grain « médiocrement gros » de référence, ils augmentent à leur guise les impôts.

« Ôtons le pouvoir métrologique des mains des seigneurs et des puissances ecclésiastiques ! Uniformisons les poids et mesures sur l’ensemble du territoire. » [2]. Voilà les deux exigences inscrites dans les cahiers de doléances en 1789 dans lesquels on parle déjà de « poids et mesures ». Cette expression montre l’importance du « poids » puisque c’est la seule grandeur qui est explicitement nommée, toutes les autres étant regroupées sous le terme de « mesures ».

Pourtant, c’est le mètre qui fut la première unité définie lors de la création en 1790 d’un système de mesure « stable, uniforme et simple ». L’unité de base choisie est celle qui avait été proposée en 1675 par le philosophe et mathématicien italien Tito Livio Burattini : le mètre est la longueur d’un pendule qui oscille avec une demi-période d’une seconde. On ignorait à l’époque que l’intensité de la gravitation dépend du lieu, où l'on se trouve. En 1793, une nouvelle définition est adoptée, conservant au mètre une magnitude proche de la précédente : le mètre est la dix-millionième partie d'un quart de méridien terrestre. La même année, la Convention nationale prévoit la création d’étalons pour la longueur et la masse. La détermination de l’unité de masse a nécessité deux campagnes. La première, en 1792-1793, a permis de définir l’unité provisoire, le grave (du latin gravis, lourd, pesant), la seconde, en 1798-1799, l’unité définitive, le kilogramme. Pour le définir, il aura fallu travailler sur les trois exigences posées pour la définition du mètre : universelle, tirée de la nature, invariable. Les chercheurs ont donc dû choisir la « meilleure » matière. Tout d’abord, s’est posée la question de l’état de cette matière : « ce sera l’état liquide, parce qu’il offre le maximum d’homogénéité, propriété facilitant le pesage ». « D’une densité “pas trop considérable”, il doit en outre posséder de “bonnes” qualités physiques et chimiques : être à la fois le plus pur et le plus aisément purifiable. C’est l’eau ! » [2]. Les premiers étalons du kilogramme sont donc des cylindres en laiton remplis d’eau. Le kilogramme est alors défini par référence au mètre, comme « le poids d’un décimètre cube d’eau distillée, dans son état de plus grande densité, pesée dans un cylindre de laiton de 243,5 millimètres de hauteur et de diamètre.» Cette définition de l’unité de masse entraina la réalisation d’expériences délicates et fut sujette à de nombreuses controverses.

En 1799, une loi définit le kilogramme par un artefact cylindrique en platine, connu sous le nom de « Kilogramme des Archives » correspondant à la masse d’un décimètre cube d’eau à 4 °C. Le système métrique français suscita l’intérêt d’autres pays, c’est ainsi que les Etats Unis d’Amérique demandèrent une copie de ce Kilogramme des Archives. Cette copie fut réalisée sous la supervision du physicien François Arago et servit de premier étalon du kilogramme pour les USA jusqu’en 1889. Entre temps, cette émulation autour du système métrique français conduisit un certain nombre de pays à signer le traité de la Convention du mètre en 1875 qui établit les fondements d’une organisation internationale de métrologie. Il fut en particulier décidé de réaliser des copies du Kilogramme des Archives en 1878 par la société anglaise Johnson Matthey. Parmi ces copies, le 28 septembre 1889, fut choisi le prototype international du kilogramme, conservant au kilogramme une magnitude proche de la précédente : il s’agit d’un cylindre de platine iridié, alliage de 90% de platine et 10% d’iridium. Son diamètre de 39 mm est égal à sa hauteur.

[1] Le Système international d’unités (brochure SI). : 8e édition, mise à jour en 2014. 2006. URL : http//www.bipm.org/en/publications/si-brochure/ (cf. pages 1, 5, 6, 156).
[2] Livre « Le mètre du monde » de Denis Guedj aux Editions du Seuil, 2000.