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Le kilogramme universel redéfini grâce à la mécanique quantique
Le kilogramme étalon du Bureau International des Poids et Mesures. [BIPM]Un cylindre constitué d'un alliage de 90% de platine et de 10% d'iridium, conservé dans une cloche, le tout enfermé dans un coffre-fort ultra sécurisé du Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), à Sèvres: c'est le kilo.
Etalon universel
Le seul, le vrai kilogramme, l'étalon universel de la mesure de la masse: il est nommé "le Grand K" ou aussi IPK pour "International Prototype of the Kilogram". Ce cylindre de platine iridié, dont le diamètre et la hauteur sont d'environ 39 millimètres, existe depuis 1889. Seules six copies officielles sont en circulation dans le monde. C'est dire son importance!
Une constante naturelle
Dès le 16 novembre, le monde des poids et mesures va connaître une petite révolution: le kilo va être redéfini sur la base des connaissances de la science moderne, en s'appuyant sur une constante physique. Car l'objet matériel de référence semble perdre de la masse inexplicablement.
"L'idée était d'avoir un standard qui ne soit pas une propriété arbitraire. Mais quelque chose basé sur une constante naturelle," explique Richard Davis, physicien honoraire du BIPM. "A l'époque c'est un volume spécifique d'eau – le litre – qui a servi de concept naturel pour la masse." Cette définition est désormais obsolète: l'objet historique va se trouver à la retraite au profit d'une mesure plus moderne, constante dans le temps et accessible à tous.
La balance de Watt
La balance de Watt de l'Institut fédéral de métrologie. [METAS]A l'Institut fédéral de métrologie à Berne, Ali Eichenberger planche sur cette réforme du kilogramme depuis plus de dix ans. Il est le chef du projet "balance de Watt", une expérience complexe basée sur une comparaison précise des puissances mécaniques et électriques: "Avec l'ancienne définition, on avait le kilo de Paris qui faisait foi et, puis à partir de là, on faisait des comparaisons successives entre différentes masses. Aujourd'hui, à la place de cet artefact matériel, on va partir d'une définition basée sur les constantes de la nature".
Physique quantique
Les constantes sont des grandeurs immuables inscrites dans les lois de la nature. Pour les mesurer, la balance de Watt, un instrument de haute technologie, qui combine plusieurs disciplines de la physique. Au final, le kilogramme ne sera plus lié à un cylindre métallique, mais à une composante essentielle de la physique quantique: "h", la constante de Planck... Elle exprime le seuil d'énergie minimum que l'on peut mesurer sur une particule. C'est une constante de l'échelle subatomique.
Des milliers d'heures de mesures ont été nécessaires pour définir la nouvelle référence. Dans six mois, la balance bernoise sera prête à peser sa première masse: "Avec le temps, on espère une plus grande stabilité, une meilleure maîtrise de l'évolution de cette grandeur," explique Ali Eichenberger. "Avec le kilogramme de Paris, on n'a aucun moyen de connaître de combien il a bougé par rapport à il y a cent ans par exemple".
La balance de Berne est l'un des quatre appareils qui existent actuellement dans le monde. A l'avenir, d'autres se construiront certainement pour faire entrer le kilogramme dans sa nouvelle dimension.
Aurélie Coulon & Stéphanie Jaquet
Qu'est-ce que le système international de mesures?
Les unités qui vont être redéfinies – outre le kilo – sont la mole, le kelvin et l'ampère:
- Le kilogramme (K), qui définit la masse, sera donc établi grâce à la constante de Planck (h). Celle-ci peut être vue comme une constante de l'échelle subatomique: elle unifie les concepts d'onde et de particule.
- L'ampère (A), qui mesure le courant, le sera par la charge électrique élémentaire, celle de l'électron (e).
- Le kelvin (K), mesurant la température, par la constante de Bolzmann (k), la constante fondamentale de la thermodynamique. Celle-ci est notamment utilisée pour convertir une grandeur mesurable, la température (en kelvins), en une énergie (en joules).
- Et la mole (mol), définissant la quantité d'une substance, par le nombre d'Avogadro (NA), c'est-à-dire le nombre d'entités élémentaires (comme les atomes ou les molécules) qui se trouvent dans une mole de matière.
Les trois autres unités existantes – qui n'ont pas besoin d'une adaptation – sont:
- La seconde (s), mesurant évidemment le temps, continue d'être définie par exactement 9'192'631'770 de fois la durée d'une oscillation au sein de l'atome de césium.
- Le mètre (m) est défini par la vitesse de la lumière dans le vide (c): c'est-à-dire la longueur du trajet parcouru par la lumière dans un intervalle de temps de 1/299'792'458 seconde.
- La candela (cd) – du latin "chandelle" – sert à mesurer l'intensité lumineuse, soit son éclat. Elle s'établit à partir de l'efficacité lumineuse maximale perçue par la rétine humaine (un rayonnement vert). A terme, les physiciens espèrent relier la candela à un nombre de photons.
La masse n'est pas le poids
La masse donne une indication sur la quantité de matière qui constitue le corps. Elle se mesure donc en kilogramme.
Quant au poids d'un objet, il est lié à la force de gravitation et son action. Son unité de mesure est le newton – oui, comme Isaac, le physicien célèbre et sa pomme. Le poids c'est la force d'attraction qui nous maintient sur la Terre, ou sur tout autre astre céleste.
Si votre masse ne change pas, à moins de faire un régime, votre poids peut varier: il sera plus élevé sur Terre que sur la Lune. Car la force gravitationnelle est plus faible sur la Lune: sur notre satellite, nous sommes presque six fois plus légers que sur notre planète.
Un outil amusant: Calculer votre poids sur d'autres planètes.