Le kilogramme va changer de définition… Et vous ne sentirez rien

PHYSIQUE Du 13 au 16 novembre, à Versailles (Yvelines), la 26e Conférence générale des poids et mesures fixera une nouvelle définition du kilogramme. Elle ne dépendra plus d’un étalon physique, mais d’une formule mathématique…

Fabrice Pouliquen

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Une copie du prototype international du kilogramme, manipulé au LNE, le laboratoire national de métrologie et d'essais.
Une copie du prototype international du kilogramme, manipulé au LNE, le laboratoire national de métrologie et d'essais. — / Photo Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE)
  • Depuis 1883, le kilogramme, mesure que l’on utilise chaque jour partout dans le monde, est défini par un objet matériel, le « grand K », conservé sous trois cloches de verres dans le parc de Saint-Cloud et qui vaut par définition un kilogramme.
  • Toutes les masses exprimées dans cette unité dépendent de cet étalon. De l’électron au soleil. Mais le système montre ses limites aujourd’hui. Car, surprise, il s’avère qu’au fil des ans le « grand K » perd du poids par rapport à ses copies. A moins que ce soit elles qui grossissent ?
  • Résultat : les métrologues veulent changer de définition en utilisant désormais la constance de Planck, une loi de la nature que l’on sait immuable quoi que l’homme fasse. Rassurez-vous, cette nouvelle définition ne changera en rien notre quotidien.

« La plus grande révolution en métrologie* depuis la Révolution française », a annoncé il y a un an déjà  Klaus Von Klitzing, prix Nobel de physique. L’Allemand évoquait la redéfinition internationale du kilogramme, chantier sur lequel planchent les scientifiques du monde entier depuis une trentaine d’années maintenant et qui va prendre un véritable tournant lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures qui se tient à Versailles (Yvelines) du 13 au 16 novembre.

Cette conférence générale est l’organe décisionnel de la Convention du mètre, ce traité international signé en 1875 par des Etats [17 à l’origine, 58 aujourd’hui] soucieux d’adopter un système universel d’unité de mesures afin de faciliter les échanges internationaux. C’est le kilogramme pour la masse, le mètre pour la longueur, la seconde pour le temps et la durée, l’ampère pour l'intensité du courant électrique…

Le kilogramme entre dans le rang

En tout, le système international d'unités en compte sept et cette Conférence générale des poids et mesures se réunit tous les quatre ans pour faire le point sur les améliorations à y apporter. Cette 26e édition, qui s’ouvre ce mardi, est « historique », confirme Thomas Grenon, directeur général du Laboratoire national de métrologie et d'essai (LNE). « Non seulement, quatre des sept unités de mesures vont changer de définition cette semaine : le kelvin (mesure de la température), la mole (quantité de matière), l' ampère et le kilogramme, précise-t-il. Pour cette dernière unité, le changement est majeur puisqu’il vise à cesser de définir le kilogramme à partir d’un étalon physique pour lui préférer une définition plus abstraite, basée sur une formule mathématique. »

Le kilogramme rentrera alors dans le rang. Des sept unités, elle était la seule encore à dépendre d’un objet matériel : le prototype international du kilogramme, appelé aussi « grand K ». Grand, pas tant que ça d’ailleurs, puisqu’on parle d’un cylindre gros comme une balle de golf et fait de platine et d’irridium, un alliage ultra-dense qui résiste au temps. Précieux, en revanche, oui, au point d’être conservé dans un coffre-fort, sous trois cloches de verre, dans un sous-sol du Bureau international des poids et mesures (BIPM), dans le parc de Saint-Cloud, au sud-ouest de Paris. Seuls trois hommes possèdent la clé de ce coffre-fort et doivent être tous trois réunis pour l’ouvrir.

Un prototype international conservé sous trois cloches de verres

Pourquoi tant d’égards ? Depuis 1883, le « grand K » est le gardien de la définition du kilogramme. En clair, selon la définition du système international, un kilogramme est égal à la masse du prototype international. Une fois cela posé, tout le reste en découle. « C’est à partir de ce cylindre de métal que toutes les références de poids sont forgées dans le monde, du microgramme à la tonne, et que toutes les balances sont étalonnées, indique Florian Beaudoux, responsable de département "masse" du LNE. Celle de votre boucher comme celles d’un labo scientifique ou d’un industriel. »

Une photographie non datée du prototype international du kilogramme, publié le 3 juin 2003. Le cylindre de métal est conservé sous trois couches de verre dans un sous-sol du Bureau international des poids et mesures près de Paris.
Une photographie non datée du prototype international du kilogramme, publié le 3 juin 2003. Le cylindre de métal est conservé sous trois couches de verre dans un sous-sol du Bureau international des poids et mesures près de Paris. - BIPM / AFP

A vrai dire, ce n’est pas tant le « grand K » qui fait le travail, que ses copies. Il y a six témoins, conçus à la même époque et gardés eux aussi au BIPM. A cela s’ajoutent les prototypes nationaux disséminés au cours du temps dans les Etats signataires de la Convention du mètre pour qu’ils puissent chacun étalonner, et donc certifier, les balances utilisées sur leur territoire. C’est le travail en France du LNE qui détient plusieurs de ces prototypes.

Le « grand K » perd du poids !

Ce système fonctionne depuis plus de 130 ans maintenant, mais montre de plus en plus ses limites. « A partir de ce grand K, nous déclinons toute une gamme d’autres étalons de masse qui vont nous permettre de certifier des balances destinées à peser des objets de plusieurs tonnes à quelques microgrammes, explique Florian Beaudoux. Or, chacune de ces étapes comprend un risque d’ajouter de l’incertitude dans les mesures. De quelques microgrammes certes, mais c’est déjà gênant pour la balance d’un laboratoire scientifique par exemple. » Et puis comment peser l’infiniment petit ? « En dessous de 100 microgrammes, il devient difficile d’utiliser un étalon physique à peine perceptible à l’œil nu et difficilement manipulable par un robot », reprend Florian Beaudoux.

Il y a plus gênant encore. Pour maintenir la confiance dans notre système de mesures, il faut bien de temps en temps sortir le grand K de son coffre-fort pour le comparer à ses copies nationales. Histoire de vérifier que rien ne bouge. Cela a été fait à trois reprises à ce jour : en 1889, en 1948 et en 1989. Surprise : en un siècle, les prototypes nationaux ont en moyenne grossi de 50 microgrammes par rapport à l’étalon. C’est infime – le poids d’une aile de mouche- mais cette dérive reste problématique pour une mesure de référence. D’autant que les métrologues peinent à l’expliquer : est-ce le grand K qui maigrit ou ses copies qui grossissent ?

Une nouvelle définition basée sur la constante de Planck

D’où ce besoin d’une nouvelle définition du kilogramme qui ne reposerait non plus sur un objet matériel, altérable, mais sur une constante fondamentale de la physique. Autrement dit, une loi de la nature invariable, quoi que l’homme fasse. A l’instar du mètre, dernière unité de mesure en date à avoir fait la bascule, en 1983. « Auparavant, il était lui aussi défini à partir d’un étalon physique**, rappelle Thomas Grenon. On le définit dorénavant à partir de la vitesse de la lumière. Plus précisément, un mètre correspond au trajet parcouru par la lumière dans le vide pendant une fraction précise de seconde. »

Pour le kilogramme, l’idée est d’utiliser la constante de Planck. Définie par le physicien allemand Max Planck, celle-ci joue un rôle central dans la mécanique quantique et exprime le seuil d’énergie minimum que l’on puisse mesurer sur une particule.

Pas facile à comprendre tout ça. Thomas Grenon se veut toutefois rassurant : « Ce changement de définition est une révolution majeure pour les physiciens et métrologues, mais tout a été fait pour qu’il n’y ait aucun impact direct dans la vie quotidienne, ni de calcul mental complexe à faire comme lorsque nous sommes passés du franc à l’euro. » C’est tout ce travail de « révolution en douceur » qui a occupé la communauté scientifique ces trente dernières années. « Il fallait fixer la constante de Planck de manière à ce que le kilogramme garde exactement la même valeur que nous lui connaissons aujourd’hui », reprend le directeur du LNE.

Trente ans de recherches pour une « révolution en douceur »

Deux méthodes de calcul permettent de relier cette constante de Planck au kilogramme. La première, utilisée par les Français, les Américains et les Canadiens, utilise une balance de Watt, un appareil qui permet de convertir une masse physique en puissance électrique et vice-versa. La seconde consiste à compter le nombre d’atomes d’une sphère de silicium considérée comme la plus ronde au monde. C’est le projet Avogadro, option choisie par les Italiens et les Allemands.

« Tout est prêt aujourd’hui, reprend Thomas Grenon. Ces cinq laboratoires nationaux ont remis leurs résultats. Ils sont parvenus à une valeur avec une marge d’erreur très faible. » Il reste à la Conférence générale des poids et mesures de faire la moyenne de ces travaux et d’arrêter la nouvelle définition quantique du kilo. C’est ce qui se jouera cette semaine à Versailles.

Cette nouvelle définition du kilogramme devrait être officialisée le 20 mai prochain, journée mondiale de la Métrologie. Le « grand K », lui, restera en service plusieurs années encore, le temps d’assurer la continuité entre l’ancienne et la nouvelle définition. Avant une retraite bien méritée.

*La métrologie est la science des mesures

** L’une des copies de cet étalon physique est toujours visible au 36 rue de Vaugirard, à deux pas du Sénat à Paris.