Enfermé dans une chambre forte qui nécessite trois clés, dans la ville de Sèvres, juste au sud-ouest de Paris, il y en a un kilo. En fait, il s’agit du Kilogramme, le prototype international du kilogramme (IPK), le kilogramme contre lequel tous les autres kilogrammes doivent prendre leur mesure, Le Grand K. Ce cylindre en alliage de platine iridié repose sous trois cloches en verre de protection, dans un environnement à température et humidité contrôlées, dans un coffre-fort et six copies officielles, dans la voûte souterraine de Sèvres.
«Si vous le laissiez tomber, ce serait toujours un kilo, mais la masse du monde entier changerait», déclare Stephan Schlamming, physicien au sein de l'Institut national de la normalisation et de la technologie (NIST) à Gaithersburg, Maryland.
L'IPK ne sort de son coffre-fort que tous les 40 ans environ, lorsque le lingot de la taille d'une balle de golf, d'un kilogramme exactement depuis 1889, est utilisé pour calibrer des copies partagées avec des pays du monde entier. Mais il y a un problème. Dans le coffre-fort avec l'IPK se trouvent six témoins, ou «témoins» - les copies officielles. Au fil des ans, comme en témoignent les rares occasions où Le Grand K et ses témoins ont été mesurés, la masse de l'IPK s'est "dérivée".
Le prototype international du kilogramme (IPK). (Photographie fournie par le BIPM) La plupart des témoins pèsent maintenant un peu plus, soit quelques microgrammes, ou un millionième de gramme, par rapport à l'IPK (bien que beaucoup d'exemplaires aient été plus massifs au départ). Vous pouvez dire que l'IPK perd de la masse, mais vous ne pouvez pas le dire, car l'IPK est immuable et indéfectible d' un kilogramme . De plus, les physiciens ne savent même pas si l'IPK perd de la masse ou gagne de la masse à long terme, mais simplement qu'il dérive lentement à cause de quantités imperceptibles de matières accumulées dans l'air, ou effacées lors d'une pesée, ou maculées à la surface. surface argentée de l’IPK au cours d’un de ses bains méticuleux.
Comme vous pouvez l'imaginer, cette minute de dérive cause énormément de maux de tête aux scientifiques, sans parler des industries qui dépendent de mesures de masse petites et précises, telles que les sociétés pharmaceutiques.
«Pour le moment, le kilogramme est défini en termes de masse d'un objet particulier», explique Ian Robinson du National Physical Laboratory (NPL) du sud de Londres. "Et si cette chose est détruite ou changée ou quoi que ce soit, c'est maladroit."
L'un des exemplaires du NIST en platine iridié de l'IPK, le K92, avec des masses de kilogrammes en acier inoxydable à l'arrière-plan. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Heureusement, les métrologues du monde ont une solution: redéfinir le kilogramme en une constante naturelle et universelle. La plupart des unités du Système international d'unités (SI) sont déjà définies en fonction de constantes universelles, telles que le mètre, qui est officiellement la longueur parcourue à la vitesse de la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de secondes. Bien entendu, cette définition s’appuie sur la seconde, définie comme la durée de 9 192 631 770 périodes d’une fréquence spécifique de rayonnement électromagnétique (micro-ondes dans ce cas) qui provoque la transition de l’électron externe d’un atome de césium-133 (passage d’un quantum à l’autre). mesure de "spin up" à "spin down", ou vice versa).
Mais le kilogramme, la dernière unité restante définie par un artefact, a obstinément résisté à la redéfinition, jusqu'à maintenant. Le 16 novembre, lors de la 26e réunion de la Conférence générale des poids et mesures, des délégués de 60 États membres se réuniront à Sèvres pour voter en faveur de la redéfinition du kilogramme selon la constante de Planck, un chiffre qui relie la fréquence d'une onde lumineuse à la l'énergie d'un photon dans cette onde. Et selon Richard Davis, physicien au Bureau international des poids et mesures (BIPM), «ils s'attendent à une majorité substantielle».
(MISE À JOUR: le 20 mai 2019, les modifications apportées au Système international d'unités sont entrées en vigueur, y compris de nouvelles définitions pour le kilogramme, l'ampère, le kelvin et la taupe.)
Max Planck et Albert Einstein
En 1879, la société de métaux précieux Johnson Matthey fondit à l'IPK à Londres. Max Planck, âgé de 20 ans, défendit sa thèse sur la deuxième loi de la thermodynamique. Albert Einstein était né. Même si les deux scientifiques ne le savaient pas au cours de leur vie, leurs travaux collectifs sur la physique fondamentale de la gravité et la mécanique quantique en viendraient à jeter les bases d'une définition du kilogramme au XXIe siècle.
Alors, quelle est la constante de Planck? «À un niveau fondamental, il est difficile de dire», dit Davis.
La constante de Planck est un très petit nombre: 6.62607015 x 10 -34, pour être exact, comme cela sera officiellement défini lors de la réunion du 16 novembre. En 1900, Max Planck en a calculé le nombre pour l’adapter aux modèles de lumière provenant d’étoiles, en faisant correspondre l’énergie et la température des étoiles à leurs spectres de rayonnement électromagnétique (collectivement appelés rayonnement du corps noir). À l'époque, les données expérimentales suggéraient que l'énergie ne circulait en aucune valeur, mais qu'elle était plutôt contenue dans des faisceaux ou des quanta - d'où la mécanique quantique tire son nom - et Planck devait calculer une valeur pour ces faisceaux afin de l'adapter à ses modèles de rayonnement du corps noir.
Cinq lauréats, de gauche à droite: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan et Max von Laue, se sont réunis pour un dîner organisé par von Laue en 1931. (Domaine Public) Cinq ans plus tard, Albert Einstein publiait sa théorie de la relativité restreinte, qui allait devenir la fameuse équation E = mc 2 (énergie égale masse fois la vitesse de la lumière au carré), épiphanie selon laquelle l’énergie est fondamentalement liée à toutes les matière de l'univers). Il a également calculé la valeur théorique d'un seul quantum fondamental d'énergie électromagnétique - maintenant appelé photon - qui a abouti à la relation de Planck-Einstein, E = h v . L'équation indique que l'énergie d'un photon (E) est égale à la constante de Planck (h) multipliée par la fréquence du rayonnement électromagnétique ( v, qui est le symbole grec nu plutôt qu'un «v»).
«Vous savez que vous avez l'énergie d'un photon, qui est h v, mais vous savez aussi que vous avez l'énergie d'une masse, qui est mc 2 . [So], E = h v = mc 2 . Ici, vous pouvez voir comment obtenir une masse de h [constante de Planck], v [fréquence d'onde] et c [vitesse de la lumière] », déclare David Newell, physicien au NIST.
Mais ce n'est pas le seul endroit où la constante de Planck apparaît. Ce nombre est nécessaire pour décrire l’effet photoélectrique sur lequel sont basées les cellules solaires. Il est également utilisé dans le modèle de l'atome de Niels Bohr, et il apparaît même dans le principe d'incertitude de Heisenberg.
«C'est comme si on disait Pi et pourquoi pas?» Dit Davis. «C'est quoi Pi? Eh bien, c'est la circonférence du cercle divisée par le diamètre du cercle. Mais alors, Pi apparaît partout en mathématiques. C'est partout.
La clé qui relie la constante de Planck au kilogramme est son unité, le joule-seconde ou Js. La constante obtient cette unité unique car l’énergie est mesurée en joules et la fréquence est mesurée en hertz (Hz), ou cycles par seconde. Un joule est égal à un kilogramme multiplié par des mètres carrés divisés par des secondes carrés (kg · m 2 / s 2 ). Ainsi, avec quelques mesures et calculs astucieux, on peut arriver au kilogramme.
Mais avant de pouvoir convaincre le monde de changer la définition de l'unité de masse standard, vos mesures devraient être les meilleures jamais prises dans l'histoire de la science. Et comme le dit Newell, "mesurer quelque chose d'absolu est sacrément difficile."
Mesure pour mesure
Nous prenons souvent pour acquis qu'une seconde est une seconde, ou un mètre par mètre. Mais pour la majorité de l’histoire de l’humanité, ces mesures de temps, de longueur et de masse étaient plutôt arbitraires, définies selon les caprices des coutumes ou des dirigeants locaux. L'un des premiers décrets selon lesquels les mesures nationales doivent être normalisées est issu de la Magna Carta de 1215 qui stipule:
«Soit une mesure pour le vin dans tout notre royaume, une mesure pour la bière et une mesure pour le maïs, à savoir« le quartier de Londres »; et une largeur pour les tissus teints, roux ou halberget, à savoir deux couleurs dans les lisières. Qu'il en soit de même pour les poids et les mesures. ”
Mais après les Lumières, alors que les scientifiques commençaient à démêler les contraintes physiques de l’univers, il devint évident que des normes de mesure variables constituaient un obstacle majeur à la promotion de l’espèce. Les scientifiques se sont répandus dans le monde entier aux 18e et 19e siècles, en mesurant tout, de la forme précise de la Terre à la distance qui le sépare du soleil - et chaque fois qu'un lachter allemand (environ deux mètres, selon les régions) devait être comparé à un anglais. cour (qui a également varié pendant la plus grande partie de son existence), les incertitudes et les malentendus abondaient.
Une copie du premier mètre standard, scellée dans la fondation d'un immeuble du 36 rue de Vaugirard, à Paris. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Les Français ont finalement eu une révolution - pas seulement de politique, mais aussi de mesures. À la fin du XVIIIe siècle, on estime que le Royaume de France compte environ un quart de million d'unités différentes, ce qui rend impossible leur suivi. Sous l'impulsion de l'Assemblée nationale constituante qui s'est formée au début de la Révolution française, l'Académie française des sciences a décidé de créer une nouvelle unité de longueur qui deviendrait la mesure officielle pour le pays: le mètre, défini comme un dixième de la distance du pôle nord à l'équateur.
Une expédition d'arpentage menée par les mathématiciens et astronomes français Jean Baptiste Joseph Delambre et Pierre Méchain a triangulé la distance d'une partie de cette longueur, s'étendant de Dunkerque à Barcelone, afin de calculer le nouveau compteur. Les mesures de l'enquête ont été achevées en 1798 et la nouvelle norme a été rapidement adoptée en France.
Le mètre en est venu à représenter une unité de mesure fondamentale, définissant le litre (1 000 centimètres cubes) et même le kilogramme (la masse d’un litre d’eau). En 1875, le monde était prêt à adopter le système métrique et la Convention du mètre de cette année-là voyait des représentants de 17 nations signer le Traité du mètre, créant ainsi le Bureau international des poids et mesures et prévoyant de nouvelles normes de masse et de longueur. moulé en alliage platine-iridium, définissant le mètre et le kilogramme pour le monde.
Mais alors qu’une vague de scientifiques du XXe siècle, tels que Planck et Einstein, commençait à sonder la structure newtonienne de la physique, découvrant de nouvelles lois parmi l’immensité du cosmos et les principes fondamentaux de l’atome, le système de mesure devait être mis à jour en conséquence . En 1960, le Système international d’unités (SI) a été publié et des pays du monde entier ont créé des institutions de métrologie pour affiner en permanence les définitions officielles de nos sept unités de mesure de base: mètre (longueur), kilogramme (masse), seconde ), ampère (courant électrique), kelvin (température), mole (quantité de substance) et candela (luminosité).
Une sphère Avogadro composée de 28 atomes de silicium pur. En mesurant le volume de la sphère et le volume d’un seul atome de silicium 28, les météorologistes peuvent mesurer la masse d’un atome dans la sphère, fournissant ainsi une méthode de calcul du nombre d’atomes dans une mole, appelée nombre d’Avogadro, qui peut être utilisé pour calculer la constante de Planck. (Photographie fournie par le BIPM) À partir de ces unités de base, toutes les autres unités peuvent être calculées. La vitesse est mesurée en mètres par seconde, ce qui peut être converti en mph et autres vitesses; le volt est mesuré en termes d'intensité de courant et de résistance en ohms; et la définition du chantier est maintenant proportionnelle à 0, 9144 mètre.
Aujourd’hui, comme au XVIIIe siècle, la question du raffinement de telles mesures est au premier plan des capacités scientifiques. Bien que la redéfinition du kilogramme ait peu de chances de changer votre vie quotidienne, les effets ultimes de la définition d’un système de mesure plus précis sont souvent étendus et profonds.
Prenons, par exemple, le second. Depuis 1967, la définition d'une seconde est basée sur la fréquence d'un laser à micro-ondes et, sans cette précision, la technologie GPS serait impossible. Chaque satellite GPS est doté d'une horloge atomique, essentielle pour corriger le fait que le temps s'écoule infiniment mais de façon mesurable sur nos satellites lorsqu'ils tournent autour de la Terre à grande vitesse, effet prédit par la théorie de la relativité d'Einstein. Sans la nouvelle définition, nous ne pourrions pas corriger ces fractions de seconde infimes et, à mesure qu’elles grandissaient, les mesures GPS glissaient de plus en plus loin, rendant tout, de Google Maps aux munitions à guidage guidé par GPS, la science-fiction.
La relation entre le second et le GPS révèle l'enchevêtrement fondamental de la métrologie et de la science: l'avancement de la recherche nécessite et autorise de nouvelles normes de mesure, et ces nouvelles normes de mesure permettent à leur tour une recherche plus avancée. On ignore où ce cycle prendra finalement notre espèce, mais après la mort de la barre de mètre et l’abandon de la seconde telle que définie par une fraction de jour, une chose est claire: l’IPK est à côté de la guillotine.
La balance à croquer
La balance NIST-4 Kibble, gérée par l’Institut national des normes et de la technologie. Contrairement aux balances Kibble antérieures, le NIST-4 utilise un balancier qui fonctionne comme une poulie plutôt que comme une poutre. Le solde mesurait la constante de Planck avec une incertitude de 13 parties par milliard. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Les physiciens savent depuis des décennies que le kilogramme peut être défini en fonction de la constante de Planck, mais ce n’est que récemment que la métrologie a suffisamment avancé pour en mesurer le nombre avec une précision suffisante pour que le monde accepte une nouvelle définition. En 2005, un groupe de scientifiques du NIST, du NPL et du BIPM, que Newell appelle «le gang des cinq», a commencé à faire pression. Leur article sur le sujet s'intitule Redéfinition du kilogramme: une décision dont le moment est venu .
«Je considère que c'est un document marquant», a déclaré Newell. "C'était très provocateur, ça énervait les gens."
L'une des technologies clés permettant de mesurer la constante de Planck identifiée dans le document est une balance en watts, conceptualisée pour la première fois par Bryan Kibble au NPL en 1975. (Après sa mort en 2016, la balance en watts a été rebaptisée balance de Kibble en l'honneur de Bryan Kibble.)
La balance de Kibble est, à un niveau fondamental, l’évolution d’une technologie qui remonte à plus de 4 000 ans: la balance à balances. Mais au lieu de peser un objet contre un autre pour comparer les deux, une balance à croquettes permet aux physiciens de peser une masse par rapport à la quantité de force électromagnétique nécessaire pour le maintenir en place.
«La balance fonctionne en faisant passer un courant dans une bobine dans un champ magnétique puissant, ce qui génère une force. Vous pouvez utiliser cette force pour équilibrer le poids d'une masse», explique Ian Robinson de NPL, qui a travaillé avec Bryan Kibble. les premiers soldes en watts à partir de 1976.
La balance fonctionne selon deux modes. Le premier mode, pesage ou force, équilibre une masse contre une force électromagnétique égale. Le deuxième mode, le mode vitesse ou le mode étalonnage, utilise un moteur pour déplacer la bobine entre les aimants alors que la masse n’est pas sur la balance, générant une tension électrique qui donne la force du champ magnétique exprimée en mesure de la force électrique. En conséquence, la force de la masse en mode de pesée est égale à la force électrique générée en mode vitesse.
La force électrique peut alors être calculée en fonction de la constante de Planck grâce au travail de deux physiciens lauréats du prix Nobel, Brian Josephson et Klaus von Klitzing. En 1962, Josephson décrivit un effet électrique quantique lié à la tension et von Klitzing révéla un effet quantique de résistance en 1980. Les deux découvertes permettent de calculer la force électrique de la balance de Kibble en termes de mesures quantiques (en utilisant la constante de Planck), ce qui équivaut, à son tour, à la masse d’un kilogramme.
Outre la balance de Kibble, le document de la «bande de cinq» décrit une autre façon de calculer la constante de Planck: elle crée des sphères d'atomes de silicium 28 pratiquement purs, les objets les plus parfaitement ronds jamais créés par l'humanité. Le volume et la masse d'un seul atome dans la sphère peuvent être mesurés, ce qui permet aux métrologistes et aux chimistes d'affiner la constante d'Avogadro (le nombre d'entités est d'une mole), et à partir du nombre d'Avogadro, on peut calculer celle de Planck à l'aide d'équations déjà connues.
«Vous avez besoin de deux manières de le faire pour avoir l'assurance qu'il n'y a pas de problème caché dans une seule méthode», a déclaré Robinson.
Un tableau blanc au NIST explique comment une balance à crochets peut assimiler une mesure mécanique (le poids d’un kilogramme) à une mesure électrique (la force du courant électrique nécessaire pour retenir le kilogramme, exprimée en fonction de la constante de Planck). (Jay Bennett) Afin de redéfinir le kilogramme, un changement qui sera mis en œuvre le 20 mai 2019, la Conférence générale des poids et mesures a requis au moins trois expériences pour calculer la constante de Planck avec une incertitude maximale de 50 parties par milliard. qui doit calculer la valeur avec une incertitude de 20 parties par milliard. Les efforts internationaux en matière de silicium sont devenus suffisamment précis pour obtenir une incertitude de seulement 10 parties par milliard, et quatre mesures de balance de Kibble ont également produit des valeurs dans l’incertitude requise.
Et à la suite de toutes ces mesures, beaucoup plus que le kilogramme est sur le point de changer.
Le nouveau système international d'unités
Plus que de redéfinir le kilogramme, la 26e réunion de la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) fixe une valeur fixe pour la constante de Planck et, en conséquence, réalise la plus grande transformation du Système international d'unités depuis sa création en 1960. Auparavant, la constante de Planck était mesurée sans cesse, en moyenne avec d’autres mesures à travers le monde, et une liste de nouvelles valeurs était fournie aux instituts de recherche toutes les quelques années.
«Personne ne mesurera la constante de Planck une fois ce [vote] passé, car sa valeur aura été définie», a déclaré Davis.
En plus de la constante de Planck, la constante d’Avogadro sera fixée à une valeur fixe, de même que la charge élémentaire ( e, la charge d’un proton) et le point triple de l’eau (la température à laquelle l’eau peut exister sous forme de solide)., liquide ou gazeux, à définir comme 273, 16 degrés Kelvin ou 0, 01 degré C).
En définissant la constante de Planck comme valeur absolue, les scientifiques se détournent des mesures mécaniques classiques pour adopter une série de mesures électriques quantiques afin de définir nos unités fondamentales. Une fois que la constante est définie, elle peut être utilisée pour calculer une plage de masses allant du niveau atomique au cosmique, en évitant la nécessité de réduire l’IPK en parties mesurables plus petites, ou jusqu’à des masses énormes.
«Si vous avez un artefact, vous ancrez votre balance à un moment donné», explique Schlamminger. "Et une constante fondamentale ne se soucie pas de l'échelle."
Ian Robinson avec la balance Mark II Kibble. Construit par le National Physical Laboratory (NPL) au Royaume-Uni, Mark II a ensuite été acquis par le Conseil national de recherches du Canada (NRC), où il a été utilisé pour mesurer la valeur de la constante de Planck avec une incertitude de 9 parties par milliard. (Courtoisie d'image de NPL) La nouvelle valeur de la constante de Planck modifie également les définitions de nos unités électriques, telles que la définition de l'ampère de 1948. Les physiciens ont longtemps utilisé les effets de Josephson et de von Klitzing pour calculer des valeurs électriques avec précision, mais ces mesures ne peuvent pas faire partie du SI tant qu'une de leurs variables - la constante de Planck - n'est pas une valeur fixe.
«Je me suis toujours dit que si je voulais obtenir mon volt ou mon oh, je devais passer au kilogramme. Je devais passer par une unité mécanique pour obtenir mes unités électriques », explique Newell. "Cela semblait très 19ème siècle, et c'était."
Maintenant, les unités électriques seront utilisées pour obtenir le kilogramme.
«Les gens parlent de, oh, c’est la redéfinition du kilogramme, mais je pense qu’il manque un point important», dit Schlamminger. "Nous allons remettre ces unités électriques dans le SI."
Pour tous, pour tous les temps
Il existe plus d’une demi-douzaine d’équilibres Kibble dans le monde et de nombreux pays d’Amérique du Sud à Asie se construisent eux-mêmes. En effet, une fois que les scientifiques en ont un, ils ont accès au kilogramme et à de nombreuses autres unités et mesures fondamentales définies la nature. Le kilogramme ne sera plus confiné à un coffre-fort, où rares sont ceux qui ont le privilège d'y avoir accès et où tout le monde a tellement peur de le toucher qu'il n'est utilisé qu'une fois par demi-siècle.
«Cela signifie maintenant que nous pouvons répandre le mode de détermination de la masse dans le monde», a déclaré Robinson.
Pour les scientifiques dont le travail est affecté par ce changement, le nouveau Système international d'unités est tout simplement une occasion historique.
«Je crains toujours que tout cela ne soit qu'un rêve, et demain je me réveille, et ce n'est pas vrai», déclare Schlamminger. "Je pense que cela met fin à l'arc auquel les gens ont commencé à penser avant la Révolution française. L'idée était de disposer de mesures pour tous les temps, pour tous."
Stephan Schlamming expliquant l’équilibre de Kibble avec un modèle Lego fonctionnel à l’Institut national des normes et de la technologie (NIST) à Gaithersburg, Maryland. (Jay Bennett) «Cela a été l'un des moments forts de ma vie», déclare Klaus von Klitzing de l'Institut Max Planck, dont la constante sera cimentée comme valeur fixe grâce au nouveau SI. “C'est merveilleux. Nous avons l'unification de ces unités quantiques… avec les nouvelles unités SI, et c'est donc une situation merveilleuse. ”
De tels changements dans nos valeurs fondamentales pour décrire l’univers ne se produisent pas souvent, et il est difficile d’imaginer quand on se reproduira. Le compteur a été redéfini en 1960, puis à nouveau en 1984.
La seconde a été redéfinie en 1967. «C’était maintenant un changement tout à fait révolutionnaire», dit Davis. "Les gens depuis toujours ont dit le temps par la rotation de la Terre, et tout à coup, nous avons changé pour une vibration dans un atome de césium."
Cela ne veut pas dire si la redéfinition du second était un changement plus fondamental en compréhension humaine que la redéfinition du kilogramme, mais, comme le second, le kilogramme redéfini est sans aucun doute un moment remarquable dans l'évolution de notre espèce.
«Se débarrasser du dernier artefact… c'est la chose la plus historique», dit Davis. «Les normes de mesure ont été basées sur ces artefacts, vraiment, puisque tout le monde le sait. Les fouilles datant du néolithique montrent des normes - des longueurs standard, des masses standard - qui sont de petits morceaux de chert ou de roche ou autre Et c'est ainsi que les gens le font depuis des millénaires, et c'est le dernier. "
Le SI changera à nouveau, bien que ce soit principalement pour réduire les incertitudes déjà infinitésimales, ou pour passer à une longueur d'onde de lumière différente ou à une mesure chimique légèrement plus précise. À l'avenir, nous pourrions même ajouter des unités au SI pour des valeurs que nous n'avions pas encore pensé définir. Mais nous ne pourrons plus jamais faire ce que nous faisons maintenant, laisser derrière nous la compréhension de nos ancêtres et adopter un nouveau système de mesure.
