Depuis 130 ans, un cylindre étincelant en alliage platine-iridium constitue la référence mondiale en matière de kilogramme. Conservé dans une cloche et enfermé au Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Sèvres, en France, il est sorti tous les 40 ans environ afin de calibrer des masses similaires dans le monde entier. Toutefois, le règne du Grand K est sur le point de basculer au profit d’une redéfinition du kilogramme en termes de constantes physiques.
Lorsque la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) se réunira la semaine prochaine à Versailles, en France, les représentants des 60 pays membres devraient voter pour redéfinir le Système international d’unités (SI) afin que quatre de ses unités de base, le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole soient définis indirectement, en termes de constantes physiques.
Ils rejoindront les trois autres unités de base — la seconde, le mètre et la candela (une mesure de la luminosité perçue d’une source lumineuse) — qui sont déjà définies de cette manière. Ce changement vise à rendre les unités plus stables et à permettre aux scientifiques de développer des techniques toujours plus précises et flexibles pour convertir les constantes en unités de mesure. « C’est la beauté de la redéfinition » déclare Estefanía de Mirandés, physicienne au BIPM. « Vous n’êtes pas limité à une seule technologie ».
Le nouveau SI généralise la méthode déjà exploitée pour définir le mètre plus précisément en matière de vitesse de la lumière. Jusqu’en 1983, la vitesse de la lumière était mesurable en mètres et en secondes définis indépendamment. Cependant, cette année-là, la 17e CGPM définissait la vitesse de la lumière à exactement 299’792’458 mètres par seconde. Le mètre est alors devenu une unité mesurable : la distance parcourue par la lumière en 1/299’792’458 seconde.
Redéfinir les unités du SI en termes de constantes fondamentales
Le nouveau SI fait de même avec les autres unités. Par exemple, il définit le kilogramme en matière de constante de Planck, fondamentale en mécanique quantique. La constante est maintenant fixée à exactement 6.62607015 x 10-34 m2kg/s. Comme le kilogramme apparaît dans cette définition, toute expérience ayant précédemment mesuré la constante devient un moyen de mesurer un kilogramme.
De telles expériences sont beaucoup plus difficiles que de mesurer la vitesse de la lumière. Une technique utilise un dispositif appelé balance de Kibble. Une masse d’un côté est contrebalancée par la force électrique produite par une bobine électrique de l’autre côté, suspendue dans un champ magnétique. Pour équilibrer le poids, un courant doit traverser la bobine. Les chercheurs peuvent assimiler la masse au courant, multiplié par une tension indépendante, lorsqu’ils enlèvent la masse et déplacent la bobine de haut en bas dans le champ magnétique.
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La vraie difficulté réside dans le dimensionnement du courant et de la tension, avec des dispositifs quantiques qui le font en termes de charge de l’électron et de la constante de Planck. Maintenant que le nouveau SI a fixé ces constantes, la balance peut être utilisée pour calculer un objet ayant une masse d’exactement 1 kilogramme.
La redéfinition fait également de la technique quantique le standard du SI pour mesurer les tensions et les courants, explique James Olthoff, physicien au NIST. Jusqu’à présent, le SI a défini l’ampère de manière très peu pratique, en matière de force entre des fils porteurs de courant infiniment longs et séparés d’un mètre.
Une redéfinition plus précise mais également plus complexe
Toutefois, l’application de ces nouvelles définitions complexes déconcertera quiconque n’a pas de diplôme supérieur en physique, affirme Gary Price, métrologue à Sydney (Australie). En fait, fait-il valoir, le nouveau SI ne répond pas à l’une des exigences de base d’un système d’unités, à savoir spécifier la quantité de masse avec laquelle mesurer les masses, la longueur avec laquelle mesurer les longueurs, etc. « Le nouveau SI ne représente pas du tout des poids et des mesures » affirme Price.
Les métrologues ont envisagé des redéfinitions plus intuitives, explique Olthoff. Par exemple, vous pouvez définir le kilogramme comme étant la masse totale d’une certaine quantité d’atomes particuliers. Mais une telle norme serait impraticable, dit Olthoff. Les chercheurs ont déjà compté les atomes dans des sphères de silicium-28 de 1 kilogramme extrêmement arrondies afin de fixer une valeur exacte pour la mole, définie auparavant comme la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 grammes de carbone 12.
S’il est approuvé, le nouveau SI entrera en vigueur en mai 2019. À court terme, peu de choses changeront, dit Pratt. Le NIST continuera de diffuser les étalons de poids en calibrant ses poids en kilogrammes ; bien que cela sera fait dorénavant avec une balance de Kibble. Les chercheurs pourraient éventuellement mettre au point des balances de table que les entreprises pourraient utiliser pour calibrer leurs propres poids en microgrammes.
La prochaine étape consiste à repenser la seconde. Les métrologues développent des horloges atomiques plus précises qui utilisent le rayonnement optique avec des fréquences plus élevées que la norme actuelle sur le césium. Elles devraient servir de base à une définition plus fine de la seconde, selon De Mirandés, peut-être d’ici 2030.