Unités de mesure

Pour que toutes les chercheuses et chercheurs puissent se comprendre, il leur faut une langue commune. L’anglais est aujourd’hui la langue internationale des communications scientifiques par publications. Mais il faut également que les résultats soient écrits avec les mêmes conventions pour que les scientifiques puissent comparer leurs résultats, leurs expériences et leurs mesures : ils et elles utilisent le même système d’unités.

Elles sont utilisées avec les différents multiples qui existent et que vous retrouverez sur la page Échelles.

Les sept unités du Système International…

Le système d’unités actuel est le Système International d’unités (abrégé en SI) qui a été modifié très récemment (le 20 mai 2019) par le Bureau International des Poids et Mesures [1]. Il découle du système métrique qui a vu le jour à la Révolution française. Il a ensuite évolué jusqu’à la forme que l’on connaît aujourd’hui. 

Ce système est composé de sept unités de base définies de manière précise et exacte : 

  • La seconde (s), mesurant les temps, est définie à partir de la fréquence d’une transition énergétique particulière de l’atome de césium 133, fixée à 9 192 631 770 s-1 (ou Hz).
  • Le mètre (m), mesurant les longueurs, est défini à partir de la vitesse de la lumière dans le vide, fixée à 299 792 458 m·s-1,  la seconde étant définie.
  • Le kilogramme (kg), mesurant les masses, est défini à partir de la valeur de la constante de Planck fixée à 6,626 070 15 × 10-34 kg·m2·s-1 (ou J·s), le mètre et la seconde étant déjà définis.
  • L’ampère (A), mesurant l’intensité des courants électriques, est défini à partir de la valeur de la charge électrique élémentaire (charge d’un proton ou d’un électron) égale à 1,602 176 634 × 10-19 A·s (ou C) où la seconde est déjà définie.
  • Le kelvin (K), mesurant les températures, est défini à partir de la valeur numérique de la constante de Boltzmann fixée à 1,380 649 × 10-23 kg·m2·s-2·K-1 (ou J·K-1), le kilogramme, le mètre et la seconde étant déjà définis. Zéro kelvin (0 K) correspond au zéro absolu, la température théorique la plus basse qui puisse exister, pour laquelle l’entropie est nulle.
  • La mole (mol), mesurant les quantités de matière, contient exactement 6,022 140 76 × 1023 unités élémentaires. Ce nombre d’entités élémentaires est appelé nombre d’Avogadro. C’est le nombre d’atomes présent dans 12 g de carbone 12C.
  • La candela (cd), mesurant les intensités lumineuses, est définie à partir de la valeur numérique de l’efficacité lumineuse d’un rayonnement lumineux monochromatique de fréquence 540 × 1012 Hz, fixée à 683 cd·sr·kg-1·m-2·s3 (ou lm·W-1), le kilogramme, le mètre et la seconde étant déjà définis [2].

… et leurs dérivées

Il n’est pourtant pas très pratique d’exprimer l’ensemble des mesures effectuées à partir de ces sept unités uniquement. Ainsi, les scientifiques ont créé des unités à partir de combinaisons des sept unités de base, qui agrandissent la famille des unités du système international. 

L’ensemble de ces unités dérivées peut s’exprimer en fonction, et uniquement en fonction, des sept unités de base. 

On peut citer comme exemple classique : 

  • le hertz (Hz), unité d’une fréquence, s’exprime en s-1.
  • Le newton (N), unité d’une force, s’exprime en kg·m·s-2.
  • Le joule (J), unité d’une énergie, s’exprime en kg·m2·s-2.
  • Le watt (W), unité d’une puissance, c’est-à-dire une énergie par unité de temps, qui s’exprime donc en kg·m2·s-3.
  • Le coulomb (C), unité d’une charge électrique, s’exprime en A·s.
  • Le pascal (Pa), unité d’une pression, c’est-à-dire une force par unité de surface, qui s’exprime donc en kg·m-1·s-2. Le bar est une unité de pression qui vaut 105 Pa.
  • Le volt (V), unité d’une tension, s’exprime en kg·m2·s-3·A-1.
  • Le ohm (Ω), unité d’une résistance électrique, s’exprime en kg·m2·s-3·A-2.
  • Le farad (F), unité d’une capacité électrique, s’exprime en kg-1·m-2·A2·s4.
  • Le weber (W), unité d’un flux magnétique, s’exprime en kg·m2·s-2·A-1.
  • Le henry (H), unité d’une inductance, s’exprime en kg m2·s-2·A-2.
  • Le tesla (T), unité du champ magnétique, s’exprime en kg·s-2·A-1.
  • Le sievert (Sv), unité d’un débit de dose radioactive, s’exprime en J·kg-1.
  • Le degré Celsius (°C) qui est un simple décalage de l’échelle en Kelvin : T(K) = T(°C) + 273,15. Le zéro absolu correspond donc à -273,15 °C.
  • Le lumen (lm), unité du flux lumineux, s’exprime en cd·sr.

Autres unités

D’autres unités sont couramment utilisées dans les différentes disciplines scientifiques. En voici quelques unes :

  • L’année-lumière (al), unité de longueur utilisée en astronomie. Elle représente la distance que parcourt la lumière en 1 an dans le vide, soit environ 9 460 milliards de km.
  • La base (b), mesure la taille d’un génome. Le terme « base » vient des 5 bases azotées A, T, C, G, U. 1 base = 1 nucléotide. C’est une unité utilisée en biologie moléculaire.
  • Le dalton (Da), utilisé en biochimie, est une unité de masse des molécules. 1 Da = 1,66 × 10-27 kg, soit la masse d’un atome d’hydrogène. Un acide aminé fait environ 110 Da.
  • La concentration molaire correspond au nombre de moles par unité de volume. Son unité SI est en mol.m-3 mais elle est plus couramment exprimée en mol/L abrégré M pour « molaire ».
  • Le morgan, utilisé en génétique, quantifie la distance entre deux gènes d’un chromosome. Usuellement, on utilise plutôt le centimorgan (cM).
  • Le svedberg (S), utilisé en chimie, mesure le temps de sédimentation, c’est-à-dire le temps que met une molécule en solution à se déposer au fond d’un tube. Cette vitesse de sédimentation est proportionnelle à la masse de la molécule (1 S = 10-13 secondes) et est utilisée pour désigner et distinguer des complexes moléculaires. Par exemple, un ribosome Eucaryote est constitué d’une sous-unité de 40 S et d’une sous-unité de 60 S. On recourt généralement à une ultracentrifugation pour mesurer cette valeur.

[1] La principale modification consiste en la définition de l’ensemble des unités à partir de constantes fondamentales (comme la charge élémentaire ou la constante de Planck) qui ont été mesurées dans le passé et fixées le 20 mai 2019. En effet, jusqu’à présent, la masse était définie à partir de masses étalons présentes un peu partout dans le monde.

[2] Le stéradian (sr) est une unité de mesure d’un angle à deux dimensions appelé angle solide.

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