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Le grand K : quand le kilo fait bonne mesure

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Le cylindre de platine et d'iridium définit le standard du kilogramme.
Le cylindre de platine et d'iridium définit le standard du kilogramme.
- National Institute of Standards

Le grand K ou Prototype International du Kilo, créé il y a plus d'un siècle, définit la masse du kilogramme. Alors même que les mesures ont besoin de plus en plus de précision, sa masse semble avoir varié. Pour y palier, des scientifiques vont redéfinir le kilo grâce à la constante de Planck.

Protégé sous trois cloches de verre, elles-mêmes enfermées dans un coffre fort, ce cylindre de platine et d’iridium soigneusement conservé au pavillon de Breteuil, au sommet du parc de Saint-Cloud (Hauts-de-Seine), est en passe de perdre de sa valeur. L’IPK (prototype international du kilo), ou grand K, était utilisé depuis 1889 comme étalon absolu pour définir le kilogramme. Et il sera obsolète dès le 20 mai prochain, remplacé par une formule mathématique qui devrait être confirmée ce vendredi, lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures, qui se tient cette semaine.

En 1875, dix-sept États signaient la Convention du mètre, qui formalisait alors le système métrique et créait le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Quatorze ans plus tard, la toute première Conférence générale des poids et mesures établissait les nouveaux prototypes internationaux du mètre et du kilogramme : c’est la création du Prototype international du kilo, ou grand K. “Le but était d’avoir une masse définie par la masse de ce prototype : c’est la définition du kilogramme. Elle devait être identique à la masse du kilogramme des archives de France, qui a été créé par le premier gouvernement républicain en 1799. Mais ce nouvel alliage, en platine iridié, était meilleur et plus pérenne”, raconte Richard Davis, ancien directeur du département responsable de la masse au BIPM (Bureau international des poids et mesures).

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De mystérieuses variations de masse 

Depuis le grand K a essaimé : plusieurs dizaines de cylindres se sont ajoutés aux quelques prototypes initiaux. Pour ses premiers Etats membres d’abord, puis pour tous ceux qui les ont rejoints : “Chaque pays qui avait signé la Convention du mètre avait la possibilité d’avoir un de ces prototypes de kilogramme, rappelle Richard Davis. Nous en avons attribué maintenant plus d’une centaine. Le dernier décompte était de 111 prototypes attribués aux pays membres.”

Au fil des décennies, les copies du grand K ont parfois changé de masse. Et pas toujours dans le même sens. Si certains ont été abîmés, d’autres ont vu leur masse changer sans qu’on puisse y trouver d’explication. Et ce n’est pas faute d’avoir protégé les cylindres de platine des affres de l’histoire : pendant la seconde Guerre mondiale, le grand K est resté à Sèvres, protégé dans un coffre fort à ressorts, alors que les six témoins entreposés avec lui pour en comparer la masse étaient entreposés à la Banque de France. 

Un fac-similé du grand K, sous ses trois cloches de verre.
Un fac-similé du grand K, sous ses trois cloches de verre.
- BIPM

Sur l’ensemble de la centaine de prototypes distribués, la masse de bon nombre d’entre eux a varié par rapport à l’étalon, comme ont pu le constater les physiciens au cours des trois campagne de vérifications qui ont été effectués en 1889, 1948 et 1989. “La plupart ont pris de la masse en un siècle, précise Richard Davis. Environ 50 microgrammes en moyenne, soit moins d’un microgramme [1 millionième de gramme, ndlr] par an.

Il y a une variabilité entre les prototypes. Mais si on pose deux prototypes sur une balance, est-ce que l’un d'eux est devenu plus léger, ou l’autre qui est devenu plus lourd ? Ce qu’on fait c’est qu’on mesure des différences… mais pour ça on accepte l’idée qu’un des prototypes ait une masse exacte d’un kilogramme.

Le K23 par exemple, confié à la Finlande, reste un mystère : comme les autres prototypes, il a grossi, mais au point de prendre 132 microgrammes. Et la raison en demeure inconnue. Évidemment, des variations aussi infimes peuvent paraître ridicules. Mais quand, en chimie ou en électronique on travaille, au XXIe siècle, au nanogramme près, soit  10−9 gramme, une variation de 50 microgrammes (10−6 gramme) n’est pas neutre. C’est pour cette raison que les physiciens du BIPM comptent se mettre d’accord sur une nouvelle mesure, basée sur une constante. 

La physique quantique à la rescousse

200 ans après Laplace ou Borda, qui voulaient un système de mesures qui soit valable pour tous les peuples et pour tous les temps, nous allons y arriver, explique en substance Terry Quinn, l’ancien directeur du BIPM :

Pour des raisons techniques à l’époque ils n’avaient pas tout à fait réussi. Nous avons déjà changé la définition de la seconde, qui ne se base plus sur la rotation de la Terre mais sur les oscillations d’un atome de césium. Nous avons aussi modifié la définition du mètre, qui ne se base plus sur un morceau de métal, mais sur la vitesse de la lumière.

Adieu le grand K, qui sera remplacé sous peu par petit "h", puisque le kilo va être redéfini à partir de la constante de Planck, le seuil d’énergie minimum que l’on puisse mesurer sur une particule. Le kilogramme devrait donc être encore plus précis, une avancée particulièrement utile pour les sciences fondamentales (univers des matériaux, électronique ou encore médecine), où les chercheurs entendent manipuler la matière atome par atome (un atome est 500 000 fois plus petit qu’un cheveu). Le nouveau kilo sera ainsi, au 100 000e près, quasiment égal à la masse du kilo d’aujourd’hui.

Des unités de mesure “explicables à des extraterrestres”

Pour toutes les expériences de haute précision utilisées dans les hautes technologies et en recherche fondamentale il faut repousser les limites de la précision", précise l’astrophysicien Jean-Philippe Uzan, qui voit en ces nouvelles lois définissant les unités de mesures des lois applicables partout dans l’univers :

Si ces lois de la nature sont universelles comme nous le pensons, ça veut dire que nous pouvons aller n’importe où dans l’univers et réaliser le même kilogramme, le même mètre et la même seconde. Nous allons atteindre l’objectif posé lors de la révolution française, d’avoir un système d’unités pour tous les temps, pour tous les peuples et qui ne dépendait pas du fait que nous sommes des humains en train de faire de la physique sur cette planète. D’ailleurs, Max Planck dans son article de 1900 indique qu’on pourrait ainsi définir des unités valables et explicables à des extraterrestres.

La 26e Conférence générale des poids et mesures décidera donc de cette nouvelle mesure du kilo, lié à la seconde et au mètre, vendredi prochain. Dans la même séance l'ampère (courant électrique), la mole (unité de quantité de matière) et le kelvin (unité de température) seront eux aussi rattachées à des constantes fondamentales, déterminées avec des valeurs s'appuyant notamment sur la vitesse de la lumière, et la distance qu'elle parcourt en une fraction de seconde.

Le grand K, quant à lui, pourra enfin être extrait de sous ses cloches de verre, le temps pour les physiciens de répondre aux mystères qui l'entourent. 

59 min