Science

Le kilogramme a désormais un nouveau poids

Un nouveau Système international d’unité a été validé ce vendredi par la conférence générale des poids et mesures, liquidant définitivement ces objets en métal centenaires qui lui servaient d’étalons. Nous vous reproposons un article à ce sujet paru dans le «T Magazine» en avril dernier

Le Bureau international des poids et mesures a entériné ce vendredi à Paris une nouvelle unité de masse définie à partir de constantes physiques. Cet article, qui explique les enjeux de ce changement de paradigme, a initialement été publié en avril 2018 sur notre site.

Le kilogramme pèse-t-il vraiment son poids? Plus ou moins. Et c’est là tout le problème. Dans un coffre-fort près de Paris, un petit cylindre de métal de 39 mm de haut représente ce que la Terre entière utilise depuis des lustres comme étalon pour une telle masse. Or… celle-ci fluctue. Pire, la perte de cet objet enlèverait à l’humanité sa seule référence originelle pour peser tout corps, d’une fusée spatiale aux atomes, en passant par nos petites personnes, au réveil sur la balance.

D’où la nécessité d’une nouvelle définition pour le kilo; après des décennies d’une course scientifique acharnée, c’est presque chose faite. En novembre 2018, une nouvelle unité de masse doit être validée, intangible celle-là, car définie à l’aide d’une des constantes fondamentales de la Nature, ces grandeurs fixes intervenant dans les équations de la physique (comme la vitesse de la lumière). Et dans la foulée, trois autres unités seront figées: le kelvin (température), l’ampère (courant électrique) et la mole (quantité de matière). «C’est du jamais vu!» souligne Ali Eichenberger, physicien à l’Office fédéral de métrologie METAS, à Berne.

«Le nouveau Système international d’unités (SI) qui en découlera sera «à l’épreuve du futur», se réjouit Martin Milton, directeur du Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Sèvres, aux commandes de la manœuvre. Autrement dit, ce SI s’accommodera de toutes les percées en sciences.»

Basculement d’époque

Oh, peu d’entre nous percevront une différence dans leur vie quotidienne: à vue de nez, il faudra toujours autant de farine pour faire un kougelhof. Mais pour les scientifiques et l’industrie de précision, l’étape fera date. «Nous, physiciens, trépignons, car bien qu’il puisse exister diverses théories au sujet d’une expérience, nous comprenons la science comme un ensemble unique de lois consistantes impliquant que ces théories aboutissent au même résultat.» Par ailleurs, ce lifting du SI permettra «l’automatisation de la construction d’instruments de calibration pour la mesure des masses, très petites surtout. De quoi révolutionner les secteurs industriels où cette capacité s’avère cruciale», explique Joachim Ullrich, président de l’Institut de métrologie allemand PTB à Braunschweig. Pour Jan Lacki enfin, historien des sciences à l’Université de Genève, il ne s’agit rien de moins que d’un basculement d’époque.

La création du système métrique décimal remonte à la Révolution française avec l’insertion, en juin 1799 dans les Archives de la République à Paris, de deux objets en platine représentant ce qu’on décida péremptoirement qu'ils seraient un mètre et un kilogramme. Un renouvellement de ces étalons est accepté en 1889, simultanément à la définition de la seconde astronomique (basée alors sur le jour moyen) comme unité de temps. S’y ajouteront celles de l’ampère, du kelvin, et de la candela (unité de luminosité). Le nom Système international d’unité (SI), en français, est donné à cet ensemble en 1960.

«Son avantage était qu’on pouvait faire des copies des étalons pouvant aussi servir de références dans divers instituts du monde entier, dit Jan Lacki. C’était bien plus pratique que de travailler avec des définitions abstraites.» L’inconvénient? «La masse de ces duplicatas varie dans le temps… reprend Ali Eichenberger. Qui plus est par rapport à un point fixe (le kg-étalon originel) qui ne l’est lui-même pas vraiment…» Et d’expliquer que la définition même de ce dernier prête à sourire: «Elle inclut des consignes de nettoyage recommandant de frotter l’objet à l’aide d’une peau de chamois et de l’alcool, «avec une pression raisonnable» pour nettoyer assez, mais sans trop gratter de matière. Tout juste n’indique-t-on pas où tuer le chamois…»

Course à la précision

Tôt, «l’idée est venue de définir les unités par une formule à l’aide d’un multiple d’une constante de la Nature, invariante, et pour laquelle une valeur numérique est fixée», poursuit Martin Milton. Depuis le XVIIIe siècle, les physiciens ont œuvré dans ce but. Mais le défi est longtemps resté insurmontable. Pourquoi? «Encore fallait-il pouvoir mesurer ces constantes avec assez de précision pour prétendre en figer la valeur et s’y référer.»

Les progrès technologiques y aideront au XXe siècle. Le plus célèbre bastion à céder fut le mètre, en 1983. Joachim Ullrich: «Les physiciens ont pu mesurer la vitesse de la lumière avec une infime justesse, ce qui a permis de fixer sa valeur à 299 792 458 m/s.» Dès lors, le mètre pouvait être défini comme la distance parcourue par la lumière en un 299 792 458-ième de seconde. Et «l’on pouvait se débarrasser du mètre-étalon en platine, soumis aux aléas de sa dilatation», ajoute Jan Lacki. La seconde, elle, a été définie en fonction d’un nombre de vibrations d’un atome de césium; abrogée, l’utilisation de la durée du jour moyen.

Et quid du kilogramme donc, dernière des sept unités du SI à subir sa redéfinition? L’ambition était de la faire dépendre d’une constante fondamentale dite «de Planck», notée «h», issue de l’univers de la physique quantique. Et à nouveau, le défi est le suivant, selon Ali Eichenberger: «Pour affirmer faire dépendre le futur kg-étalon de cette constante h, il faut d’abord la mesurer avec une précision de 2 millionièmes de pourcent (2*10e-8). Devant une pile de papier de 5 km de haut, cela correspond à l’épaisseur… d’une feuille.»

Sphère parfaite

Deux types d’expérience ont été imaginés. La première, appelée «balance du watt», est un dispositif mettant en équilibre, d’un côté, la masse à étalonner, de l’autre, un mécanisme électromagnétique descriptible à l’aide de cette constante h. Plusieurs groupes, à METAS mais surtout aux Etats-Unis et au Canada, possèdent une telle balance, extrêmement complexe à manipuler tant elle contient de paramètres à dominer finement.

Malgré tout, les deux dernières équipes sont parvenues à mesurer h avec la précision voulue. L’idée de l’autre expérience est de fabriquer une sphère parfaite en silicium, matériau cristallin très pur. Une boule si réussie que, si elle avait la taille de la Terre, ses plus grosses aspérités ne mesureraient que quelques mètres de haut. La masse de ce «kg de silicium» peut alors être définie en fonction du nombre d’atomes présents et dénombrables, l’entregent étant à nouveau assuré par cette constante h. En Allemagne, le groupe du PTB a, là aussi, abouti.

Le problème avec les copies du kilo originel, c'est que leurs masses varient dans le temps

Jan Lacki, Historien des sciences 

Problème, et pas des moindres: les valeurs de h mesurée dans les deux camps n’étaient pas les mêmes! Impossible de redéfinir le kilo avec une constante universelle ainsi disparate. «Mais après de longs débats, les physiciens expérimentaux ont accepté de revoir leur prétention d’exactitude à la baisse et d’étendre un peu la marge d’erreur sur leur mesure, explique Joachim Ullrich. En le faisant, toutes les valeurs concordaient, et leur moyenne demeurait dans le niveau de précision requis.»

Une manière de s’arranger avec les chiffres qui ne convainc pas tout le monde. «Peut-être aurait-il été utile d’attendre un peu davantage que les expériences fournissent des données s’accordant mieux d’elles-mêmes», estime Ali Eichenberger. Or, un délai avait été posé au 1er juillet 2017 à tous les groupes impliqués pour livrer leurs résultats; une façon de faire inhabituelle en science. «Lors de mesures en sciences, jamais celles-ci ne sont absolument parfaites, rétorque Martin Milton. Dans notre cas, le recoupement a été jugé suffisamment bon.»

Redéfinir la seconde

Pour certains, cette décision relève peut-être d’un désir de rester dans l’histoire de la part de ceux qui valideront ce nouveau SI, en novembre. «C’est une vieille rengaine, commente Jan Lacki. La justesse de la position morale est un peu des deux côtés: on veut opposer à un pragmatisme un purisme extrême. Or la science regorge d’exemples montrant que les chercheurs les plus perfectionnistes, bien qu’ayant fait des découvertes les premiers mais de manière confidentielle, n’ont pas été reconnus à juste titre.» Selon l’historien des sciences, l’importance de cette étape est ailleurs. «Avec cette dernière refonte du SI, on se débarrasse définitivement des artefacts qui le définissaient, pour insister sur les réseaux de relations conceptuelles entre ses différents éléments. On se place au plus près des lois physiques.»

Or pour Martin Milton, l’affaire ne s’arrêtera pourtant pas là. «La prochaine étape, vers 2026, est de mieux redéfinir la seconde sur la base de la vibration d’un autre atome que le césium.» La démarche des physiciens ne vire-t-elle pas à une obsession? «Depuis 150 ans, cette manie de la mesure a permis des avancées technologiques cruciales, telles les horloges atomiques dans les systèmes GPS», rétorque-t-il. Et de citer Lord Kelvin, éminent savant britannique du XIXe siècle: «Pour connaître les choses, nous devons les mesurer.»

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