Ce lundi 20 mai 2019, 130 ans après avoir été établi, le kilogramme tel qu’on le connaissait a été remplacé par une nouvelle définition. Auparavant basé sur un cylindre fait de platine et d’iridium, le kilogramme sera désormais défini par la constante de Planck. Baser une unité de mesure sur une constante physique fondamentale permet en effet de s’assurer de sa stabilité, de sa précision et de son immuabilité. Même si l’impact de ce changement, voté unanimement en 2018 par la Conférence Générale des Poids et Mesures à Versailles, sera pratiquement invisible pour la population, il est d’une importance cruciale pour les scientifiques.
Mais sur les sept unités de base du Système international d’unités (SI), quatre ne sont actuellement pas basées sur les constantes de la physique : l’ampère (courant), le kelvin (température), la mole (quantité de substance) et le kilogramme (masse). « L’idée est que, grâce à toutes les unités basées sur les constantes de la physique, elles soient par définition stables, et universellement accessibles partout » explique Emeritus, directeur du Bureau international des poids et mesures (BIPM)
Par exemple, le mètre est déterminé par la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299’792’458 seconde. Une seconde est déterminée par le temps nécessaire à un atome de césium pour osciller 9’192’631’770 fois. Le kilogramme est défini par le Prototype international du kilogramme (IPK), fabriqué en 1889 à partir de 90% de platine et de 10% d’iridium, et conservé dans un coffre spécial au siège du BIPM. En fait, le kilogramme est la seule unité de base du SI encore définie par un objet physique.
Des exemplaires de l’IPK sont utilisés dans divers endroits du monde. Ils servent de normes nationales et sont parfois renvoyés en France pour être comparés au prototype. Et curieusement, à chaque recalibrage, la masse de ces copies s’éloigne de celle de l’IPK enfermé dans le coffre-fort. Les scientifiques ignorent si les copies perdent de la masse ou si l’IPK gagne de la masse, mais aucun des deux scénarios n’est idéal pour la précision scientifique, même s’il ne s’agit que d’une fraction de microgramme.
Une nouvelle définition du kilogramme basée sur la constante de Planck
Les métrologues parlent depuis quelques années de la nécessité d’une nouvelle norme. Maintenant, ils sont enfin prêts à redéfinir le kilogramme sur la base de la constante de Planck, le rapport énergie/fréquence d’un photon, mesurée à sa valeur la plus précise jamais enregistrée l’année dernière.
« Ce n’est que maintenant que nous pouvons définir le kilogramme en termes de constantes physiques : la constante de Planck, la vitesse de la lumière et la fréquence de résonance de l’atome de césium » déclare Quinn. « Pourquoi toutes les trois ? C’est parce que les unités de la constante de Planck sont m²kg/s, il faut donc d’abord définir le mètre (en matière de vitesse de la lumière) et la seconde (l’atome de césium dans l’horloge atomique) ».
Ainsi, selon la nouvelle définition, la valeur d’un kilogramme est « définie en fixant la valeur numérique de la constante de Planck à exactement 6.626’07004×10–34 lorsqu’elle est exprimée dans l’unité SI m²kg/s, qui est égal à J s ».
Un changement essentiel pour les scientifiques et les autres unités
Cela ne fera aucune différence perceptible dans la vie de la plupart des gens — un kilo de pommes avant le changement ne sera toujours qu’un kilo de pommes sur la balance après le changement — mais cela fera une grande différence pour les métrologues en particulier, et les scientifiques en général. Comme indiqué ci-dessus, les normes des unités de base peuvent s’appuyer sur d’autres unités de base. Le candela, l’ampère et la mole seront redéfinis avec une plus grande précision en fonction du kilogramme.
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« La nouvelle définition améliorera considérablement la compréhension de l’enseignement sur les unités. Cela ouvrira la voie à des améliorations illimitées de la précision des mesures, et étendra les possibilités de réaliser des mesures précises à des quantités très petites et très grandes » explique Quinn.
Pour ce qui est de l’IPK, le petit morceau de métal qui a été si important pendant tant d’années, il continuera à être conservé dans les mêmes conditions qu’il a toujours été, sous deux cloches dans une chambre forte à climat contrôlé. Il sera toujours étudié : « dans les années et les décennies à venir, nous pourrons observer à quel point sa masse change » indique Quinn, cette fois contre la nouvelle définition immuable du kilogramme. Donc, finalement, les scientifiques pourront savoir avec certitude s’il perd effectivement de la masse au fil du temps.
Quinn a également noté que, bien que cela puisse paraître complexe, le nouveau système peut en réalité être facilement compris par quiconque. Il a lui-même créé une simple balance en Lego dans son sous-sol, capable de mesurer directement la constante de Planck, à 5% près.