Après des décennies de travaux de laboratoire révolutionnaires, la communauté scientifique et technique mondiale s’est réunie le 16 novembre 2018 pour redéfinir le kilogramme (kg), l’ampère (A), le kelvin (K) et la mole (mol) – quatre des sept unités de base du Système international d’unités (SI), officieusement appelé système métrique. L’événement était le 26e Conférence générale des poids et mesures et a été organisée par le Bureau international des poids et mesures à Versailles, en France. Les nouvelles définitions entreront en vigueur le 20 mai 2019, Journée mondiale de la métrologie, qui célèbre l’établissement du SI en 1875.
Une réplique du prototype du kilogramme à la Cité des Sciences et de l’Industrie à Paris, France. Crédit photo : Japs / CC BY-SA 3.0.
Actuellement, il n’existe qu’un seul véritable kilogramme, appelé Le Grand K, qui est conservé dans un coffre-fort en dehors de Paris et utilisé pour étalonner toutes les mesures de masse dans le monde entier.
Fabriqué en platine-iridium, Le Grand K, comme tout alliage, peut changer avec le temps en absorbant des molécules de l’air ou en les perdant par nettoyage.
Cependant, même ces changements incroyablement minuscules signifient que l’artefact n’est plus assez précis pour les futures recherches avancées et applications technologiques prévues.
Au cours des quatre dernières décennies, grâce aux progrès de la science quantique, les scientifiques ont mesuré des constantes naturelles telles que la vitesse de la lumière et la constante de Planck avec une précision exceptionnelle.
En utilisant des combinaisons de ces constantes et les équations de la mécanique quantique, ils ont créé des unités SI révisées pour mesurer la masse, le courant électrique, la température et la mole qui sont au moins un million de fois plus stables que des artefacts comme Le Grand K.
Cette carte présente les constantes fondamentales et les autres valeurs physiques qui définiront un Système international d’unités révisé. Crédit photo : Stoughton / NIST.
Depuis les années 1700, les scientifiques rêvent de disposer d’un système de mesure précis et exact qui pourrait être réalisé n’importe quand et n’importe où.
Les phénomènes quantiques qui sont identiques partout sont déjà utilisés pour définir la seconde, qui est l’unité SI du temps, et le mètre, l’unité SI de la distance.
La seconde est définie comme 9 192 631 770 oscillations naturelles du rayonnement micro-onde émis par l’élément césium et le mètre est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458ème de seconde.
Ces définitions révisées, mises en œuvre respectivement en 1967 et 1983, ont été nécessaires à l’invention du GPS et de nombreuses autres technologies modernes.
En mai 2019, lorsque la définition révisée du kilogramme sera mise en œuvre, elle sera basée sur trois constantes fondamentales : la constante de Planck, la vitesse de la lumière et le rayonnement micro-onde naturel de l’atome de césium.
La constante de Planck décrit la taille des paquets d’énergie ou quanta que les atomes et autres particules utilisent pour absorber et émettre de l’énergie.
La masse d’un kilogramme actuel exerce une quantité spécifique de force dans la gravité de la Terre. La définition révisée remplace cette détermination de la force mécanique par une mesure électromagnétique liée à la constante de Planck et basée sur le courant et la tension électriques.
En utilisant un instrument appelé balance Kibble, du nom de son inventeur Bryan Kibble, un courant électrique est généré dans une bobine pour produire un champ magnétique suffisamment puissant pour équilibrer une masse d’un kilogramme.
La méthode nécessite une mesure précise de la gravité locale, qui varie en fonction de l’altitude et de plusieurs autres facteurs. Elle nécessite également de déplacer la bobine à travers un champ magnétique d’intensité connue et à une vitesse connue, d’où le lien avec les constantes utilisées pour déterminer le temps et la fréquence.
De la même manière, l’unité SI de l’ampère sera désormais basée sur la constante de la charge de l’électron.
Le kelvin sera basé sur des mesures quantiques du mouvement atomique et sera lié à la constante de Boltzmann qui relie l’énergie d’un objet à sa température, ainsi qu’aux constantes de fréquence de Planck et du césium ; tandis que la mole sera basée sur une valeur améliorée de la constante d’Avogadro.
