Il faut chausser des sabots de caoutchouc blanc pour entrer dans le laboratoire dirigé par Ali Eichenberger, dans les sous-sols blindés de l'Office fédéral de métrologie et d'accréditation (METAS) à Wabern, près de Berne. Ces sabots ont pour but de protéger de toute poussière le précieux instrument qui trône au milieu de la pièce. Ils sont si propres qu'ils adhèrent au sol lisse. Mais par surcroît de précaution, le visiteur doit encore passer sur une surface autocollante, afin de fixer les derniers «bruchons» qui seraient collés à ses semelles. Deux nettoyeuses sortent du laboratoire voisin. Elles portent des sacs de plastique stérile sur leurs chaussettes.

Toutes ces précautions ne sont pas vaines: l'instrument dont Ali Eichenberger est le responsable scientifique, une «balance de watt», n'a que deux équivalents en fonction dans le monde. Il pourrait bientôt contribuer à une nouvelle définition du kilogramme. Rien de moins. Et ce genre d'opération ne tolère pas l'improvisation. «Pour atteindre la précision nécessaire, seule la perfection suffit, affirme le physicien. Un détail qui ne porterait pas à conséquence dans un autre laboratoire peut ici ruiner tous nos efforts.» Pour donner la mesure du défi posé à son équipe, le chercheur choisit une image: «Pour redéfinir le kilogramme, nous devons atteindre une précision de moins d'une part pour cent millions. C'est comme si nous devions mesurer la hauteur d'une pile de papier de 10 km de haut sans nous tromper de plus d'une feuille.»

Voilà qui explique toutes les précautions qui entourent la balance: atmosphère stérile, température constante à une fraction de degré près, laboratoire souterrain isolé des vibrations extérieures. Mais pourquoi vouloir redéfinir le kilogramme? Et pourquoi la Suisse est-elle engagée dans cette aventure métrologique internationale? L'histoire commence il y a un peu plus d'un siècle, en 1878, avec la fabrication d'un petit cylindre métallique de 39 mm de diamètre et 39 mm de hauteur, en alliage de platine et d'iridium, le futur «prototype international du kilogramme». Vingt ans plus tard, cet étalon est officiellement adopté comme référence de masse par la Convention du mètre.

Tous les pays signataires de ce traité diplomatique reçoivent des copies numérotées, dûment comparées à l'original. La Suisse détient ainsi le cylindre numéro 38, ainsi que la pince, la cloche de verre, l'étui de transport et le certificat qui l'accompagnent. Aujourd'hui, à l'heure où la seconde se définit comme un nombre précis de vibrations atomiques, où la lumière donne sa mesure au mètre, cette définition du kilogramme peut paraître un peu désuète. C'est pourtant elle qui fait foi, faute d'avoir trouvé mieux. Le kilogramme est la dernière unité fondamentale à être encore définie par une référence matérielle.

Chaque année, une délégation du BIPM visite le coffre-fort du pavillon de Sèvres et constate de façon protocolaire la présence du précieux cylindre. En plus de ce rituel, les métrologues, par pesées, veillent à l'équivalence du kilogramme dans les différents pays. Pour l'anecdote: Philippe Richard, responsable de la section mécanique (masses, pressions, forces, etc.) de l'Office de métrologie suisse, s'est rendu discrètement au BIPM il y a un peu plus d'une semaine, en emportant dans sa valise la précieuse masse 38 pour comparaison. Afin d'éviter qu'un douanier suspicieux n'exige l'ouverture de l'étui protecteur – et ne mette en danger la stabilité du kilogramme suisse – le physicien était au bénéfice d'un passeport diplomatique.

A trois reprises depuis l'institution du kilogramme, tous les étalons nationaux sont comparés à l'original. En 1946, puis surtout en 1989, ces mesures ont révélé un phénomène inquiétant: les différents étalons divergent lentement. En moyenne, les copies prennent du poids par rapport à l'original, à raison d'environ 50 microgrammes par siècle, sans que personne ne sache très exactement pourquoi. La dérive est sans doute due à des impuretés extérieures qui se mêlent au métal de la surface des étalons. Des vapeurs de mercure, peut-être, polluant répandu dans les laboratoires de métrologie.

Pour limiter le phénomène, le BIPM a inventé une méthode de nettoyage à appliquer avant toute comparaison des masses étalons: alcool et peau de chamois, puis rinçage à la vapeur. En 1989, ce procédé est entré officiellement dans la définition du kilogramme, devenu la masse du prototype international «après nettoyage et rinçage selon la méthode du BIPM». Voilà les métrologues condamnés au chiffon. Et à la réflexion, car la science moderne ne peut plus se satisfaire d'une unité de masse dont la dérive dépasse largement la précision des balances comparatrices modernes. «Les mesures de 1989 ont provoqué une véritable prise de conscience, raconte Ali Eichenberger. Le BIPM a chargé les pays membres d'intensifier leurs efforts visant à contrôler la stabilité du kilogramme.»

Depuis, les laboratoires de métrologie explorent de nombreuses voies pour redéfinir l'unité de masse, y compris la fabrication d'un kilogramme atome par atome (lire ci-dessous). Mais la plupart des méthodes buttent sur d'importantes difficultés techniques. Plusieurs équipes sont parvenues à une précision d'une part sur dix millions, mais après avoir épuisé tout leur art. Or il faut faire dix fois mieux encore. Seuls les trois groupes – quatre depuis peu – qui utilisent des balances de watt peuvent encore espérer aboutir dans les années qui viennent. Et ils semblent parvenus au sprint final. Alors que les «utilisateurs du kilogramme» s'impatientent, l'équipe américaine vient de se lancer dans une nouvelle série de mesures, après avoir amélioré sa gigantesque balance. Les Britanniques et les Suisses, qui ne seraient pas surpris d'apprendre le succès de leurs collègues dans les mois qui viennent, progressent également. Enfin, d'autres instruments sont en construction: la France a commencé à construire le sien il y a deux ans, et le BIPM lui-même vient de décider de lancer son propre instrument.

La balance de watt, imaginée en 1976 par un physicien britannique, permet de comparer une force mécanique – un poids – à une force électromagnétique. Elle est constituée d'un fléau qui supporte d'un côté une masse et de l'autre une bobine électrique placée dans un champ magnétique produit par un aimant ou un autre dispositif. La «pesée» se déroule en deux temps. Les physiciens mesurent tout d'abord le courant électrique qu'il faut faire passer dans la bobine pour compenser exactement le poids de l'objet. Dans une seconde phase, ils font basculer le fléau à une vitesse donnée et mesurent la tension électrique produite dans la bobine, qui fonctionne cette fois-ci comme une dynamo. Ces deux mesures permettent ensuite de déterminer la masse de l'objet à partir de mesures électriques – un courant et une tension. Autre façon de décrire les choses, qui explique le nom donné à l'instrument: la balance de watt permet une comparaison entre le «watt mécanique» (la puissance, mesurée en termes de force et de distance) et le «watt électrique» (la puissance, mesurée en termes de tension et de courant).

En pratique, les difficultés ne manquent pas lorsqu'on veut donner à cette balance une précision de quelques parties sur un milliard. Il faut par exemple mesurer très précisément l'attraction terrestre à l'endroit où se trouve la masse-test, et à l'instant de la mesure. Car les infimes fluctuations de la gravité suffiraient à ruiner la mesure. «Nos collègues des Etats-Unis ont eu de sérieux problèmes d'alignement, raconte encore Ali Eichenberger. Ils ont finalement découvert l'origine du problème: un tuyau de refroidissement passait non loin de l'un des gigantesques pieds métalliques de la balance, ce qui suffisait, par contraction, à déséquilibrer l'ensemble.» La moindre perturbation est rédhibitoire.

Actuellement, l'équipe de Wabern développe de nouveaux aimants, les originaux manquant de stabilité. «Le problème est sérieux, mais en voie de résolution, explique Ali Eichenberger. Lorsque nous aurons surmonté cette difficulté, tout pourrait aller très vite. Car la balance est très stable par ailleurs.» Les Suisses, qui se sont lancés dans la course en 1997 seulement, pourraient-ils passer la ligne d'arrivée avant leurs collègues britanniques ou américains, au bénéfice de nombreuses années d'expérience? «Le pronostic est difficile, répond Ali Eichenberger. De toute façon, plusieurs instruments doivent donner des résultats concordants pour qu'il soit possible de redéfinir le kilogramme. Nous avons donc fondamentalement besoin les uns des autres. Il y a bien une petite compétition entre pays, mais celle-ci n'empêche pas une collaboration amicale de tous les chercheurs engagés dans cet effort.»