La métrologie est la science de la mesure. Elle définit les unités de mesure, les réalise, maintient leur intégrité, les diffuse et conduit régulièrement des améliorations du système international d’unités.
Les organismes nationaux de métrologie servent de point de référence pour l’étalonnage des instruments de mesure utilisés dans chaque pays.
Une bonne unité de mesure est une unité :
- Universelle : compréhensible et utilisée par le plus grand nombre – « à tous les peuples »
- Stable dans le temps : le point de référence ne change pas dans le temps (1 kg reste 1 kg) – « à tous les temps »
- Pratique à mettre en œuvre : de nombreux centres de métrologie partout sur Terre (ou ailleurs dans l’univers) peuvent réaliser un même système pour étalonner les instruments utilisés dans leur pays.
La métrologie moderne est née à la fin du XVIIIème siècle à l’aune de la révolution française, par la dissémination d’un standard d’unité de longueur : le mètre étalon.
D’autres unités de mesure (de temps, de masse, de température, de courant électrique, etc.) ont été définies et améliorées depuis.
La métrologie est au cœur du progrès technologie et des échanges commerciaux :
- L’amélioration des instruments de mesure se quantifie universellement par comparaison aux instruments existants. La preuve de meilleures performances conduit à des révolutions technologiques impactant l’humanité et la planète entières ;
- Les échanges commerciaux reposent sur des comparaisons de valeur, nécessitant la quantification claire de la valeur d’un objet.
Garantir les critères 1 et 2 d’une bonne unité de mesure a poussé les métrologues à définir les unités sur la base des phénomènes physiques les plus élémentaires, i.e. les plus fondamentaux.
Prenons un exemple : la définition du mètre à partir d’un barreau de métal est sujette à variations, car le métal peut se dilater avec la température, fournissant une valeur légèrement différente au Togo (où il fait chaud) et en Suède (où il fait froid).
En revanche, les atomes constituant le barreau de métal ne sont pas sujet à de telles variations. Etablir une définition du mètre à partir de la « taille » d’un atome est donc bien meilleure, au regard des critères 1 et 2. Remplir le critère 3 de simplicité requiert du temps, car nécessite que de nombreux laboratoires partout dans le monde réalisent effectivement cette unité de la même manière et s’accorde sur une méthode.
Ainsi, l’unité de temps (la seconde) n’est désormais plus réalisée avec un pendule, mais à partir de l’observation d’oscillations très régulières et universelles dans un atome de Cesium.
La nouvelle définition de la seconde « atomique », mise en œuvre en 1967, permet désormais de garantir l’unité de temps avec une exactitude de 16 chiffres après la virgule !
De nombreuses applications modernes utilisées quotidiennement n’existeraient pas sans ce progrès technologique, en premier lieu les systèmes de positionnement par satellites nécessitant des horloges très stables.
La seconde atomique est le premier exemple de métrologie quantique. En effet, cette définition met à profit les lois fondamentales de la mécanique quantique (établies au début du XXème siècle) pour réaliser la mesure du phénomène d’oscillation à la base de l’horloge.
La métrologie quantique se définit donc ainsi : utiliser les lois de la mécanique quantique pour établir des standards d’unités de mesure.