Hyperprécise, la balance du watt joue un rôle clé dans le processus de redéfinition du kilogramme. © DR

Comment le kilogramme va bientôt « repeser » un kilo

Rosanne Mathot
Rosanne Mathot Journaliste

Le kilogramme ne pèse plus un kilo : depuis sa création, l’étalon matériel sur lequel se basent toutes les balances du monde perd mystérieusement de la masse. Plus fiable et plus précise, sa redéfinition sera bel et bien redéfini, le 16 novembre 2018, sur une constante fondamentale liée à la physique quantique.

Les savants de la Révolution française en ont rêvé. Les scientifiques d’aujourd’hui sont en en train de le faire. Depuis deux cents ans, ce qui agite les métrologues (les spécialistes de la mesure), c’est la création d’un système d’unités réellement universel. Une codification non anthropologique, compréhensible par toute forme de vie intelligente basée n’importe où dans le cosmos. En prévoyant de lier la future définition du kilogramme à une constante universelle, chacune des sept mesures que nous connaissons aura abandonné son étalon matériel. Le prix Nobel de physique Klaus von Klitzing ne cache pas son enthousiasme :  » Il s’agit de la plus grande révolution, dans la métrologie, depuis la Révolution française, quand le premier système international d’unités a été introduit par l’Académie française des sciences.  »

C’est l’inexpliqué amaigrissement du kilogramme étalon, surnommé le  » Grand K « , qui impose, de facto, une nouvelle définition du kilogramme. En effet, si, depuis sa création, en 1889, le kilogramme étalon perd de la masse, en contrepartie, tous les autres objets de l’univers, mesurés à l’aune de cet étalon rabougri, en gagnent. Logique. Et ce, qu’il s’agisse d’une cargaison de bananes, de la lune, du soleil ou d’un électron… Une situation ennuyeuse et possiblement chaotique, pour une société mondialisée dans laquelle presque tous les pays (sauf les Etats-Unis, la Birmanie et le Liberia) utilisent le même système de mesures, le SI (Système international des poids et mesures, adopté en 1960).

Le Comité international des poids et mesures a formellement confirmé, en octobre dernier, que le kilo sera bel et bien redéfini, le 16 novembre 2018, lors de la 26e conférence générale des poids et mesures (CGPM), à Versailles. La nouvelle définition se basera sur la constante fondamentale de la physique quantique, la constante de Planck, notée (h). Le kilogramme nouveau sera quantique et devrait peser… exactement un kilogramme. Partout. Tout le temps. Peut-être pour toujours.

Cinquante microgrammes, le poids d’un cil : voilà donc la masse que le Grand K a perdue, depuis sa création, en 1889. Un détail, pour nous. Mais les scientifiques savent que le diable pourrait bien s’y cacher. L’amaigrissement du Grand K est, par ailleurs, très enquiquinante dans le sens où l’unité de masse intervient dans la définition de plusieurs autres unités de mesure. Elles s’enlacent, reposent les unes sur les autres. Du coup, l’année prochaine, quatre autres unités passeront, comme le kilo, à la casserole de la redéfinition : l’ampère (l’unité de l’intensité d’un courant électrique), le kelvin (la température), la mole (l’unité qui relie la masse d’un objet au nombre d’atomes qu’il contient) et la candela (l’unité de l’intensité lumineuse). Même le mètre et la seconde, seront, via la constante de Planck, intimement liés au futur nouveau kilogramme quantique.

Roland Lehoucq :
Roland Lehoucq : « On atteindra l’idéal des fondateurs du système métrique. »© DR

Hilfe !

Sonné et abasourdi par une découverte folle qu’il ne comprend pas complètement, Max Planck aurait choisi la lettre  » h « , pour signifier  » Hilfe !  » ( » Au secours ! « ). On est en 1900. La physique est encore exclusivement newtonnienne. L’incroyable nouvel artefact mathématique que Planck vient de fabriquer échappe à toute explication et défie même la raison. En fait, avec la présentation de sa particule d’action élémentaire, Planck vient de signer (sans le savoir) l’acte de naissance de la physique quantique, la physique de l’infiniment petit. Einstein démontrera physiquement le bien-fondé des théories de Planck, quelques années plus tard. Aujourd’hui, Planck et Einstein sont très loin d’avoir terminé de valser ensemble, sous le scintillement des quanta, puisque c’est grâce à la fameuse théorie d’Einstein E=mc2, que la constante de Planck peut être reliée à la masse, alors qu’à la base, (h) combine l’énergie et le temps. Le kilo lui en sait gré.

Le hic, c’est que la valeur de (h), cette fameuse constante universelle, n’a jamais été fixée ! Pourquoi avoir choisi l’une des constantes les plus incertaines de l’univers, pour définir le nouveau kilogramme ?  » Aujourd’hui, (h) est mesurée avec sept chiffres après la virgule. Ce qui n’est pas mal « , tempère-t-on au CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives, en France).  » L’idée est de fixer une bonne fois pour toutes la constante de Planck, pour enfin obtenir un étalon de masse dématérialisé et universel. On atteindra ainsi, avec deux siècles de retard, l’idéal des fondateurs du système métrique « , se réjouit l’astrophysicien Roland Lehoucq.

De fait, le Codata (le Comité de données pour la science et la technologie) ne devrait avoir aucun mal à fixer la valeur de (h) d’ici à l’année prochaine : les chercheurs du Nist (National Institute of Standards and Technology, aux Etats-Unis) viennent de calculer la plus précise des valeurs de cette constante jamais établie, grâce à une balance du watt qui utilise des forces électromagnétiques pour équilibrer des masses. L’incertitude est de seulement 13 milliardièmes, ce qui est bien mieux que ce qu’exige la redéfinition du kilogramme. C’est ici que s’arrêtera l’histoire de (h), qui deviendra réellement invariante et valable, partout dans l’univers, à l’instar de la vitesse de la lumière dans le vide. Et dire qu’en 1892, Lord Kelvin osait affirmer :  » Il n’y a plus rien à découvrir, en physique.  »

Comment le kilogramme va bientôt
© BIPM

Les mystères du Grand K

Le Grand K, le kilogramme étalon, est un petit artefact cylindrique réalisé en platine iridié. Depuis 128 ans, il est conservé pieusement, par le BIPM (Bureau international des poids et mesures), installé dans le pavillon de Breteuil, à Sèvres, depuis la signature du Traité de la convention du mètre, en 1875, par dix-sept nations, dont la Belgique. A cause des bombardements de la Seconde Guerre mondiale, le Grand K a été mis à l’abri dans un coffre antichoc inviolable. Trois verrous. Trois clés. Trois gardiens des clés. Un code secret. Trois cloches de verre. Depuis la naissance du système métrique, lors de la Révolution française, le caveau qui contient le Grand K n’est ouvert en moyenne qu’une fois tous les trente ans, pour qu’il ne s’abîme pas. Autant dire que presque personne n’a vu de ses yeux le tout dernier étalon matériel encore en service, question unités. Dès 2018, lui et ses quarante copies disséminées dans le monde, dont l’étalon belge, vont devenir des curiosités historiques.

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