Le kilogramme ne pèse plus le même poids aujourd'hui

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Le kilogramme ne pèse plus le même poids aujourd'hui

Le kilogramme ne pèse plus le même poids aujourd'hui
(Photo: ASSOCIATED PRESS)

SCIENCE - Combien pèse un kilogramme? Ici, il ne faut surtout pas répondre 1000 grammes, ce serait prendre le problème dans le mauvais sens. On pourrait aussi répondre “le poids d’un litre d’eau”. Ou plutôt la masse d’un litre d’eau (le poids étant une valeur correspondant à la masse multipliée par l’intensité de la pesanteur).

Cette réponse était bonne en 1793. Sauf que depuis 1875, il faudrait plutôt se référer à la masse d’un cylindre fait d’un alliage de platine et d’iridium, choisi par une assemblée de scientifiques.

Mais ce lundi 20 mai, la définition a définitivement changé. A l’occasion de la journée mondiale de la métrologie, le système international des unités (le “système métrique”) vient “d’adopter l’un des plus signifiants changements depuis sa création”. précise dans un communiqué le Bureau international des poids et mesures.

Ce changement avait été voté en novembre, lors de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM). Les délégations de tous les pays réunis avaient voté, à l’unanimité, pour considérer qu’un kilogramme, pèsera dorénavant... Et bien, quelque chose d’un peu étrange. Une valeur constante très importante de la physique quantique qui permet de mesurer les interactions à l’échelle atomique.

Avant de comprendre ce nouveau système, il faut préciser pourquoi la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a voulu changer la définition du kilogramme. Et pour cela, il faut en effet revenir à la Révolution française. Et même un peu avant.

 

Un besoin d’unité

Pendant des siècles, on mesure le poids et la masse de diverses manières, avec diverses valeurs, souvent liées à des parties du corps ou des objets d’usage courant. Ce qui n’est pas très pratique pour les échanges commerciaux. Alors au XVIIIe siècle, Louis XVI demande à ce que soient établies des unités de mesures universelles.

En 1793, après la révolution française, un décret est publié qui pose les bases du système métrique, qui deviendra le Système international d’unités. A l’époque, on ne parle pas de kilogramme, mais de “grave”. Cela correspond à la masse d’un décimètre cubique d’eau, soit 2 livres, 5 gros ou encore 49 grains.

En parallèle, on inventa le gramme, qui devait servir à mesurer des choses bien plus légères, précise le Bureau international des poids et mesures (BIPM) . “Cependant, un étalon d’un gramme étant aussi difficile à utiliser qu’à établir, il décida de représenter l’unité de masse par un étalon d’un kilogramme”, précisele site officiel. Finalement, c’est le nom kilogramme qui restera dans l’histoire comme unité de mesure.

L’insoutenable légèreté du “grand K”

Le problème, c’est que l’eau ne pèse pas toujours la même chose, en fonction de sa composition, de sa température. “On a donc essayé de trouver une définition plus stable”, explique au HuffPost François Nez, chercheur CNRS en métrologie (la science de la mesure). “A la fin du XIXe siècle, on a utilisé la meilleure technologie à disposition, la métallurgie”.

Le kilogramme est alors un petit cylindre qui pèse, logiquement, 1 kg. Pour qu’il soit précis et que sa masse ne change pas dans le temps, les chercheurs utilisent en 1875 un matériau très stable: un alliage de platine et d’iridium. Quelques années plus tard, en 1889, la première Conférence générale des poids et mesures définit un standard international pour le kilogramme: un cylindre de platine iridié, de 3,9 centimètres de long et 3,9 centimètres de diamètre, appelé “prototype international du kilogramme” (IPK). Ou tout simplement, le “grand K”.

Pour s’assurer qu’il ne bouge pas dans le temps, ce cylindre est gardé à Sèvres par le BIPM, en banlieue de Paris, sous trois cloches de verre hermétiques. Plusieurs copies sont créées en parallèle et disséminées, afin de pouvoir définir le juste poids de chaque chose partout dans le monde.

 

(Photo: Benoit Tessier / Reuters)

 Tout semblait aller pour le mieux dans le meilleur des mondes. Sauf qu’avec le temps, on s’est rendu compte que le compte n’y était plus. En 1946, le grand K fut comparé à ses copies officielles. Mais aucune n’avait la même masse. Depuis, les choses ont empiré: le kilogramme original est moins lourd que les autres.

De pas grand chose: 35 microgrammes, soit 35 millionième de gramme. Ce n’est rien, quand on y réfléchit. “Pour comparer, si un kilogramme était représenté par 300 milliards de grains de sable, sur 100 ans, il aurait perdu 10 grains”, précise François Nez. Une broutille.

Mais cela peut poser problème, rappelle le Washington Post. Il y a quelques années, l’agence américaine de métrologie a dû redéfinir son kilogramme, car il ne pesait plus le même poids que le grand K. Des entreprises, qui se basent sur ces calculs, ont donc également procédé à des changements et ont cherché à accuser l’agence américaine d’incompétence.

Une masse immatériel

Pour en finir avec ce problème, il a été décidé il y a quelques années de redéfinir le kilogramme. “Les métrologues ont inventé des dispositifs qui permettent de comparer le kilogramme à des quantités élémentaires”, au niveau quantique, explique François Nez. Pourquoi? Car “plus une chose est petite, plus elle est universelle: par exemple un électron est le même dans tout l’univers”.

Pour mesurer la masse d’un kilogramme, les chercheurs ont donc utilisé une constante fondamentale, une grandeur physique dont la valeur numérique est a priori fixe et la même dans tout l’univers.. Son nom: la constante de Planck. Elle régit de nombreuses interactions, notamment sur le lien entre énergie et fréquence. “On peut dire que c’est l’unité des échanges qui ont lieu dans la physique quantique”, affirme François Nez.

Le lien avec le kilogramme? Pour faire simple, les chercheurs ont mis au point des instruments de mesure étranges, appelés “balance du watt” ou de Kibble. “Imaginez que le plateau d’une balance classique penche d’un côté, car il y a le grand K dessus. L’objectif est ici de pousser sur l’autre plateau avec un dispositif électrique pour rétablir l’équilibre”, explique François Nez.

 

(Photo: BIPM)

Ce que les chercheurs mesurent, grâce à la constante de Planck, c’est cette force exercée par l’appareil. Et le but, c’est qu’elle soit égale à la masse exact du grand K. En tout cas, qu’elle s’en rapproche beaucoup. Plusieurs expériences ont eu lieu, avec une précision qui fait que l’incertitude de la valeur la constante de Planck est de 0,0000013%.

Pour simplifier encore plus, “c’est comme si avant, le kilogramme étalon permettait de mesurer le poids d’un kilogramme de pommes, puis que nous avons décidé que l’étalon était maintenant la pomme”, note François Nez. Sauf qu’ici, la pomme est une constante fondamentale de la physique qui ne bougera jamais dans le temps et est la même partout. La nouvelle définition du kilogramme n’est donc pas beaucoup plus précise pour le moment, mais universelle.

En parallèle, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a également redéfini la définition d’autres unités: l’ampère (unité de courant électrique), la mole (unité de quantité de matière) et le kelvin (unité de température) sont eux aussi rattachés à des constantes fondamentales. La seule unité de mesure qui n’est pas basée sur une constante fondamentale, immatérielle, est la seconde. “Elle est basée sur l’atome de césium, mais c’est également la mesure la plus précise, et de loin”, note François Nez.

L’ampère est maintenant relié à la charge élémentaire, la charge électrique d’un proton. La mole, l’unité de quantité de matière, utilisée essentiellement en chimie, est définie via la constante d’Avogadro. Le kelvin, mesuré à partir de l’eau, est redéfini à partir de la constante de Boltzmann (k), liée à la mesure de l’agitation thermique des constituants fondamentaux d’un corps.

Le monde de la mesure est donc encore plus certain et universel qu’auparavant. En tout cas, tant que l’on ne découvre pas qu’une constante n’est pas si constante que ça.

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