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Le kilo a changé de poids grâce à la physique quantique

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A partir de ce lundi, l'unité de masse n'est plus basée sur l'étalon conservé sous cloche à Sèvres, mais sur la constante de Planck, une valeur fondamentale de la physique quantique.
A partir de ce lundi, l'unité de masse n'est plus basée sur l'étalon conservé sous cloche à Sèvres, mais sur la constante de Planck, une valeur fondamentale de la physique quantique.
© Maxppp - Lupu Gabriela

Fini le grand K, ce cylindre en platinium iridié donnait le poids exact d'un kilo. Place désormais à la physique quantique pour éviter les désagréments liés à l’usure et la dégradation des copies du cylindre. Pas d'effets dans le quotidien, mais de grandes avancées sont attendues pour la science.

Une simple évolution ou une révolution ? Ce lundi 20 mai 2019, le premier système d’unité entièrement défini à partir de constantes universelles entre en vigueur. Après le mètre en 1983, les quatre unités de valeurs que sont le kilo, le kelvin, l’ampère et la mole, sont redéfinies par la physique. Dans notre quotidien, le changement du kilo pose le plus question. Faudra-t-il changer toutes les balances pour réaliser une recette de cuisine, acheter des fruits et légumes ou encore se peser ?

Une révolution tranquille

"C’est à la fois une révolution. Et en même temps, ce qui est paradoxal, cela ne va pas changer grand-chose dans la vie de tous nos concitoyens." Les propos de Thomas Grenon, le directeur général du Laboratoire National de métrologie et d'Essais (LNE), se veulent rassurants. Il s'agit bien "d'une révolution mais d'une révolution tranquille, renchérit Marc Himbert, le directeur du laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM, l'aboutissement d'années de travail dans lequel la France a pris toute sa part".

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Le passage du kilo mesuré par le Grand K, cylindre en platinium iridié, au kilo mesuré par la constante de Planck est la suite logique de la décision de la 26e Conférence générale des poids et mesures de novembre 2018, fixant la nouvelle définition du kilogramme, du kelvin (unité de température), de l'ampère (les mesures électriques) et de la mole (unité des chimistes).

Désormais, les mesures ne sont plus définies par des objets mais grâce à des formules mathématiques. On peut se demander s'il est obligatoire de maîtriser la physique quantique pour peser chaque ingrédient nécessaire à une recette de cuisine par exemple. Thomas Grenon l'assure, ce passage aux "constantes universelles" ne change pas le quotidien. Au contraire, il permet d'éviter à la mesure du kilo de varier puisqu'il est défini par une formule scientifique, celle de la constante de Planck, notée h et exprimée en joule-seconde. 

"On n'a plus besoin de se ramener au kilogramme donc avec la constante de Planck, on peut désormais se ramener à une masse, une force, une énergie sans faire de comparaison obligatoire avec le kilo." précise Marc Himbert, le directeur du laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM.

Les conséquences au quotidien seront inexistantes. A partir de ce 20 mai, il ne faudra pas se précipiter pour changer sa balance ou l'étalonner selon la nouvelle formule de calcul. La valeur de la constante de Planck a été fixée pour que le kilo ait toujours la même valeur. Une certitude validée par Thomas Grenon :

Les métrologues ont plus pris en compte les préoccupations quotidiennes des gens, puisque l'on va changer totalement de définition. (C'est) comme le passage du franc à l'euro, sauf qu'on a tout fait pour que le kilo, même s'il change fondamentalement de définition, reste un kilo. Et que lorsque vous irez sur votre marché, le kilo aura toujours la même valeur.

Certitude également assurée par Corinne Lagauterie, cheffe de bureau de la métrologie à la direction générale des entreprises du ministère de l'Economie et de Finances : la position prônée par la France lors de la conférence de novembre 2018 a été préparée longuement avec le Laboratoire Nationale de métrologie et d'Essais (LNE). Corinne Lagauterie confirme que "ce qui fait que ça ne change rien au niveau pesée dans la vie de tous les jours est que lorsqu'il y a une telle réforme, on assure une continuité avec les définitions précédentes". Cela explique la durée entre 2011, année où la communauté internationale a acté le principe du passage à de nouvelles définitions, et le vote en novembre dernier puis l'application de l'entrée en vigueur du premier système d'unité entièrement défini à partir de constantes universelles à partir du 20 mai 2019."Les travaux de recherche ont débuté il y a une vingtaine d’années et il a fallu attendre que les expériences et mesures réalisées dans les meilleurs laboratoires du monde soient suffisamment compatibles entre elles pour arriver à fixer la valeur de la constante de Planck et passer à la nouvelle définition du kg. Il faut assurer un niveau au moins équivalent à ce qui existait précédemment et rendre possible les améliorations" ajoute Corinne Lagauterie. Et ainsi, garantir la continuité et permettre l'amélioration.

La Méthode scientifique
59 min

Et la redéfinition du mètre engendra le GPS

Décider de modifier la façon de mesurer les quatre unités que sont le kilo, le kelvin, l'ampère et la mole a nécessité trente années de travaux. Et parfois les expériences se sont avérées difficiles. Le magazine Nature soulignait en 2015 que le passage de la mesure du kilo d'un objet physique à une formule mathématique "ne rendra pas le kilogramme plus précis, mais le rendra plus stable". Le kilo était la dernière mesure encore basée sur un objet : le Grand K.

Trente années d'expériences, d'études et de travaux ont donc permis un consensus général au sein de la Conférence générale des poids et mesures. "Voir tous les représentants voter unanimement pour cette évolution, de façon verbale, alors que des tensions internationales existent... se dire que les Etats-Unis et l'Iran ont donné leur accord... quel chemin parcouru depuis la signature de la convention du mètre en 1875 entre les dix-sept adhérents d'origine" se souvient avec émotion Marc Himbert. Aujourd'hui, le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) compte 59 Etats membres et 42 Etats et entités économiques associés.

Cette décision n'est pas un cas unique : en 1983, le mètre voyait sa formule révisée. Désormais, il se base sur la vitesse de la lumière et non plus sur le mètre étalon. Défini en 1791 par l'Académie des sciences de Paris, sa copie gravée dans le marbre est toujours visible au 36 rue de Vaugirard, près du Sénat. Aujourd'hui, un mètre correspond au trajet parcouru par la lumière dans le vide pendant une fraction précise de seconde. Une modification aux conséquences inattendues. Sans cette redéfinition, le GPS n'aurait sans doute pas existé sous sa forme actuelle. Le principe même du GPS existait déjà car l'armée américaine l'employait mais il manquait de précision. A partir de 1983, "la mesure du temps de parcours d'impulsion électromagnétique entre les satellites et la position où l'on est devient plus précise avec ce changement de la définition du mètre" explique Marc Himbert.

Des conséquences pour la recherche scientifique

Ce recours à la physique quantique permettra en revanche davantage de précisions dans certaines recherches scientifiques, grâce à des mesures de plus en plus précises. Dans la santé, des travaux sont ainsi en cours au Laboratoire National de métrologie et d'Essais sur la protéine Tau. Elle est un signal avant-coureur des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer. En étudiant des nanoparticules de cette protéine, elle sera détectable plus rapidement et pourrait permettre de soigner cette maladie plus en amont. 

Des avancées auront également lieu dans la lutte contre la pollution grâce à des études plus précises des microparticules ou nanoparticules présentes dans l'air. 

Enfin, dans l'industrie, selon Thomas Grenon, le travail devient concevable "sur des matériaux innovants comme le graphène pour réaliser des progrès dans la microélectronique ou aller vers les ordinateurs quantiques".

Le Grand K aux oubliettes ?

Une question majeure demeure : que va-t-il advenir du Grand K ? Enfermé sous trois cloches de vide dans un caveau du pavillon de Breteuil, au sommet du parc de Saint-Cloud dans les Hauts-de-Seine, il n'a jamais été déplacé. Il n'a été comparé que trois fois depuis son existence et uniquement à ses "témoins", en clair ses copies, reprend Marc Himbert.

Ce cylindre, à peine plus grand qu'une balle de golf, n'aura pas droit à une retraite bien méritée. Il a tout d'abord une valeur patrimoniale forte et il fait partie des étalons conservés pour une meilleure traçabilité. Thomas Grenon lui prévoit un avenir entre études et conservation : "le Grand K va être gardé à titre historique. On va pouvoir l'étudier pour voir si, sur un siècle, il a perdu ou gagné quelques microgrammes. Et puis, dans la métrologie, on est toujours prudent. Au cas où, on va le garder avec soin"

Grâce à l'entrée en vigueur ce lundi du premier système d'unité défini par les constantes universelles, le Grand K pourra livrer prochainement certains de ses secrets. Et dans l'ombre, la Seconde attend patiemment son heure pour être à son tour révisée. Sa révision est prévue lors de la prochaine conférence générale des poids et mesures en 2026.