Des chercheurs du National Physical Laboratory (NPL), au Royaume-Uni, ont mis au point une technologie capable de mesurer avec précision la constante de Planck, la dernière pièce du puzzle pour passer d’un kilogramme défini par un objet physique à un kilogramme basé sur des constantes fondamentales de la nature.
Prototype international du kilogramme (Le Bureau international des poids et mesures)
Le système international d’unités (SI) est le système de mesure le plus largement utilisé dans le commerce et la science. Il comprend sept unités de base : le mètre, le kilogramme, la seconde, le Kelvin, l’ampère, la mole et la candela. Idéalement, ces unités doivent être stables dans le temps et universellement reproductibles, ce qui nécessite des définitions basées sur des constantes fondamentales de la nature.
Le kilogramme est la seule unité encore définie par un artefact physique appelé prototype international du kilogramme, conservé par le Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Paris, en France. Sa forme est un cylindre d’un diamètre et d’une hauteur d’environ 39 mm. Il est constitué d’un alliage de 90 % de platine et de 10 % d’iridium. Le prototype est conservé à l’IBWM depuis 1889, initialement avec deux copies officielles. Au fil des ans, un exemplaire officiel a été remplacé et quatre ont été ajoutés.
En octobre 2011, la Conférence générale des poids et mesures a convenu que le kilogramme devait être redéfini en fonction de la constante de Planck (h).
Dans un article, publié aujourd’hui dans le journal Metrologiales chercheurs décrivent comment cela peut être fait avec le niveau de certitude requis.
La constante de Planck est une constante fondamentale de la nature, qui relie la fréquence (couleur) d’une particule de lumière (un photon) à son énergie. En utilisant deux effets de la mécanique quantique découverts au cours des 60 dernières années : l’effet Josephson et l’effet Hall quantique, la puissance électrique peut être mesurée en termes de constante de Planck (et de temps).
Un appareil appelé balance du watt, proposé pour la première fois par Brian Kibble au NPL en 1975, relie la puissance électrique à la puissance mécanique. Cela lui permet d’effectuer des mesures très précises de la constante de Planck en termes d’unités SI de masse, de longueur et de temps. Les unités SI de longueur et de temps sont déjà fixées en fonction des constantes fondamentales et atomiques. Si la valeur de h est fixée, la balance du watt fournirait une méthode de mesure de la masse.
“La balance du watt divise sa mesure en deux parties pour éviter les erreurs qui se produiraient si la puissance réelle était mesurée “, explique le Dr Ian Robinson, chef du projet au NPL. “Le principe peut être illustré en considérant un haut-parleur placé sur son dos. Si l’on place une masse sur le cône, celui-ci est poussé vers le bas et on peut le remettre dans sa position initiale en faisant passer un courant dans la bobine du haut-parleur. Le rapport de la force générée par le courant est fixé pour une bobine de haut-parleur et un aimant particuliers et est mesuré dans la deuxième partie de l’expérience en déplaçant le cône du haut-parleur et en mesurant le rapport entre la tension produite aux bornes du haut-parleur et la vitesse du cône.”
“Lorsque les résultats des deux parties de l’expérience sont combinés, le produit de la tension et du courant est assimilé au produit du poids et de la vitesse et les propriétés de la bobine du haut-parleur et de l’aimant sont éliminées, ce qui laisse une mesure du poids de la masse indépendante du haut-parleur particulier utilisé.”
Mesures de h à l’aide de balances du watt ont fourni des incertitudes proches du niveau de deux parties sur cent millions, qui est nécessaire pour baser le kilogramme sur la constante de Planck. Grâce aux améliorations mises en évidence dans l’article, les mesures effectuées au Conseil national de la recherche du Canada, qui utilise désormais l’équipement du NPL, devraient permettre d’obtenir une précision beaucoup plus grande.
“C’est un exemple de la science britannique à l’avant-garde du monde “, a conclu le Dr Robinson. “Le NPL a inventé la balance du watt et a produit un appareil et des mesures qui vont contribuer à sa redéfinition. L’appareil est maintenant utilisé par le Canada pour poursuivre les travaux, et nous prévoyons que leurs résultats auront des incertitudes plus faibles que celles que nous avons obtenues, et le principe est utilisé par les États-Unis et d’autres laboratoires dans le monde pour effectuer leurs propres mesures.”
“Cette recherche va étayer le système de mesure mondial et assurer la stabilité à long terme du niveau le plus élevé de la mesure de masse. Même si l’homme de la rue ne verra pas une grande différence – vous obtiendrez toujours le même sac de pommes de terre d’un kilo – ces normes seront finalement utilisées pour étalonner les systèmes de pesage du monde entier, des instruments scientifiques précis jusqu’à la chaîne de production.à l’échelle domestique”.
