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La définition du kilogramme a changé. Voilà pourquoi c'est important...

Utilisé dans les pèse-personnes et les balances des laboratoires médicaux, l’étalon de masse est désormais basé sur une valeur « faisant partie intégrante du tissu de l’Univers. »lundi 19 novembre 2018

De Maya Wei-Haas
Ce cylindre est une réplique exacte du prototype international du kilogramme (IPK pour « International Prototype of the Kilogram »). Conservé à l’Institut national des normes et de la technologie de Gaithersburg dans l’État du Maryland, cette réplique en question sert de base pour toutes les calibrations du poids aux États-Unis.

Dans les entrailles du Bureau international des poids et mesures de Sèvres se trouve un étincelant cylindre métallique, reposant sous trois cloches en verre scellées au sein d’une chambre forte à température contrôlée. Ce gros morceau de platine et d’iridium, surnommé le « grand K », sert d’étalon de masse depuis plus d’un siècle dans le monde entier, des pèse-personnes en passant par les balances des laboratoires médicaux.

Mais tout cela est sur le point de changer.

Le 16 novembre dernier, lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures qui se tenait à Versailles, les représentants de plus de 60 pays ont voté en faveur d’une redéfinition du kilogramme. Désormais, l’unité ne se basera plus sur cet objet physique, mais sur la mesure d’un facteur fondamental de la physique, connu comme la constante de Planck. Ce chiffre infiniment petit, qui commence 33 zéros après la virgule, décrit le comportement de paquets de lumière élémentaires, les photons, dans absolument tout, du vacillement de la flamme d’une bougie en passant par le scintillement des étoiles au-dessus de nos têtes.

« Cette constante fondamentale fait partie intégrante du tissu de l’Univers », a déclaré Stephan Schlamminger, directeur de l’Institut national des normes et de la technologie. Ce dernier, avec un groupe de scientifiques internationaux, a travaillé à rendre plus précise la constante de Planck dans le cadre de la redéfinition du kilogramme. Il est important de souligner que cette valeur restera la même pour toujours, peu importe le lieu dans lequel sera faite la mesure.

 

DES UNITÉS CRÉÉES POUR TOUS

Le kilogramme est l’une des sept unités de base du Système international d’unités, les six autres étant le mètre, la seconde, la mole, l’ampère, le Kelvin et la candela. Ce système international d’unités définit toutes les autres mesures. S’il est facile d’oublier l’importance de ces unités, celles-ci étayent toutefois tout ce qui se trouve dans notre Univers. Elles garantissent l’uniformité des poids et des mesures notamment dans l’industrie, le commerce et l’innovation scientifique.

Le système métrique, devenu par la suite Système international d’unités, a été créé à la fin du 18e siècle pour que les mesures conviennent « à tous les temps, à tous les peuples ». Le but de ce système était de simplifier la vie quotidienne dans un monde où l’apprentissage d’un système de mesures différent pouvait être nécessaire si quelqu’un se rendait dans une autre ville.

À l’origine, la plupart de ces premières unités de mesure étaient basées sur des éléments de la nature, explique Richard Davis, chercheur en physique émérite du Bureau international des poids et mesures, l’organisation en charge de réguler tout ce qui touche aux unités de mesure. Mais finalement, ce système n’était pas pratique à utiliser. Par exemple, le mètre correspondait à 1/10 000 000 de la distance séparant le pôle Nord de l’équateur en passant par Paris, tandis que le kilogramme équivalait à un litre d’eau distillée au point de congélation.

« Ils n’avaient tout simplement pas la technologie ou la science pour que cela soit un succès », souligne Richard Davis. Alors, en juin 1799, deux étalons en platine, une tige d’un mètre et un cylindre d’un kilogramme, ont été forgés. Ceci marqua la création du système métrique décimal. Afin d’accroître leur stabilité, les prototypes ont été à nouveau forgés en 1889 dans un alliage de platine et d’iridium et entreposés sous clé.

Mais cette dépendance à des objets physiques avaient aussi ses inconvénients. « Un objet matériel ne dure pas pour toujours », indique Stephan Schlamminger. Les tasses à café cassent, les vêtements se déchirent et les canalisations rouillent. De plus, ces objets, enfermés dans une chambre forte, n’étaient certainement pas « à tous les peuples ».

Au cours du siècle, ces objets physiques ont été remplacés un à un par des constantes fondamentales. Le kilogramme était le dernier.

 

LE « GRAND K » PERDAIT DU POIDS

Malgré son inaccessibilité, le « grand K » a bien fait son travail. Les scientifiques ont forgé plusieurs copies pour que les chercheurs du monde entier puissent les utiliser. En près de 130 ans, l’étalon du kilogramme a quitté sa chambre forte à seulement trois reprises, dans le but d’être comparé à ses doubles.

Mais à chacune de ces comparaisons, l’inquiétude des scientifiques grandissait : il semblait que le « grand K » perdait du poids.

Soit le petit cylindre devenait de plus en plus léger par rapport à ses répliques, soit ces dernières gagnaient du poids. Impossible de le savoir, car le « grand K » pèse par définition exactement un kilogramme. Ainsi, si quelqu’un limait un coin du cylindre, il pèserait toujours un kilogramme et le poids des kilogrammes du monde entier devraient s’ajuster en conséquence.

La masse du « grand K » est inférieure de 50 microgrammes à celle de ses répliques, soit à peu près l’équivalent de la masse d’un grain de sable. Bien que cette différence ne semble pas très importante, elle pose un énorme problème pour les sciences exactes comme la médecine. Pour couronner le tout, cette perte affecte le kilogramme, mais également les autres unités définies à partir ce dernier, à l’instar du Newton.

 

QUELLE SOLUTION DE RECHANGE ?

Afin de résoudre ce problème de perte de poids, la Conférence générale des poids et mesures a adopté à l’unanimité en 2011 une résolution en faveur d’une redéfinition du kilogramme et de trois autres unités, à savoir l’ampère, le kelvin et la mole pour le motif suivant : « invariants de nature. » Depuis, les scientifiques du monde entier se sont hâtés de trouver une solution.

Deux possibilités pour le kilogramme ont émergé, chacune liée à la constante de Planck. La première se fonde sur la balance de Kibble : celle-ci ressemble à une balance à fléau classique, qui est composée d’une barre dont chaque extrémité comporte un plateau en suspension. Pour peser quelque chose, il convient de placer une masse connue d’un côté et l’objet dont on veut connaître le poids de l’autre. La force gravitationnelle permet de déterminer le poids de cet objet par rapport à la masse connue.

Toutefois, une balance Kibble ne comporte qu’un seul plateau en suspension, le second étant remplacé par un anneau dans un champ magnétique. Au lieu d’utiliser la force gravitationnelle pour équilibrer la masse, elle a recours à la force électromagnétique. C’est en comparant une masse avec les caractéristiques de cette force électromagnétique que les scientifiques peuvent mesurer avec précision la constante de Planck.

La deuxième solution repose sur la fabrication d’un autre objet scintillant : une sphère parfaite de silicium 28 cristallisé. Cette idée se fonde sur une constante appelée nombre d’Avogadro, qui définit qu’une mole contient environ 602,214,000,000,000,000,000,000 atomes. En comptant le nombre d’atomes dans une sphère de silicium d’une masse exacte d’un kilogramme, les scientifiques peuvent déterminer avec une grande précision le nombre d’Avogadro. Celui-ci peut ensuite être converti en constante de Planck.

La valeur finale de la constante de Planck est si infime qu’elle est difficile à imaginer : 0,000000000000000000000000000000000662607015 kilogramme par m² par seconde.

 

CHANGEMENT EFFECTIF EN MAI 2019

Grâce à ces deux méthodes, les scientifiques peuvent désormais mesurer un kilogramme avec une incertitude de 1 sur 100 000 000, soit le quart du poids d’un cil, indique Stephan Schlamminger. « C’est le problème de la science : la perfection n’existe pas », souligne-t-il. « Il y a toujours des effets aléatoires et un peu de dispersion. Vous devez donc décider si cela est suffisant. » Si l'on en croit le vote de la semaine dernière, c’était apparemment le cas.

Le changement sera effectif le 20 mai 2019. « Ce jour-là, vous ne verrez aucun changement dans votre vie quotidienne », précise Richard Davis. Mais d’une façon ou d’une autre, chaque balance de la planète sera liée au prototype international du kilogramme. Bien que vous mesuriez votre farine en cuisine de la même façon qu’auparavant, le nouvel étalon fera une grande différence au moment de fabriquer des composants automobiles, de mettre au point de nouveaux médicaments et de concevoir des instruments scientifiques.

Le vote du 16 novembre n’a pas seulement été remarquable quant à l’incroyable précision avec laquelle ces mesures peuvent désormais être réalisées. Il l’est aussi du fait de la coopération internationale à l’origine de ce travail. Après l’adoption à l’unanimité de la nouvelle définition par les représentants des différents pays, Sébastien Candel, le président de l’Académie des sciences française a conclu : « J’espère que cela sera également possible pour de nombreux autres problèmes mondiaux. »

 

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.

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