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La nouvelle définition mondiale du kilogramme entre en vigueur
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La nouvelle définition mondiale du kilogramme entre en vigueur

"Un changement historique; une révolution." Thomas Grenon, directeur du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) à Paris, ne mâche pas ses mots pour décrire le grand bouleversement qui s’annonce dans le monde de la mesure, si essentielle pour les sciences, les activités industrielles et les échanges commerciaux. Quatre des sept unités de base du Système international ont en effet été redéfinies lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) se tenait du 13 au 16 novembre 2018 à Versailles (Yvelines).

Pourquoi un tel chambardement dans les unités de mesure ?

Il s’agit du kilogramme (masse), de l’ampère (intensité électrique), du kelvin (température) et de la mole (quantité de matière) - les trois autres étant le mètre (distance), la seconde (temps) et la candela (intensité lumineuse). Ces unités étaient jusqu’alors fondées sur des éléments physiques, en particulier un étalon matériel pour le kilo (lire S. et A. n° 844, juin 2017). "Désormais, les nouvelles définitions seront toutes reliées à des constantes fondamentales, explique Thomas Grenon. Un peu sur le modèle du mètre qui est déterminé, depuis 1983, à partir de la vitesse de la lumière dans le vide", cette unité correspondant à la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde. Elles seront officiellement adoptées à Versailles par la centaine de pays rattachés à la Convention du mètre, l’un des plus anciens traités diplomatiques toujours en vigueur.

Pourquoi un tel chambardement ? "L’organisation manquait de cohérence, chaque unité ayant été définie à des époques et selon des approches très différentes, répond Christophe Daussy, chercheur au Laboratoire de physique des lasers à l’université Paris-XIII. Celles qui seront redéfinies posaient du reste une série de problèmes". Le plus pressant concernait le kilogramme, dernière unité à être encore fondée sur un objet matériel.
"Le Grand K", étalon du kilogramme

Depuis 1889, elle correspond en effet, par définition, à la masse d’un cylindre de platine iridié appelé le « Grand K », conservé comme un trésor avec six de ses copies dans un coffre ultrasécurisé du Bureau international des poids et mesures (BIPM), au pavillon de Breteuil (Sèvres, Hauts-de- Seine). Tous les systèmes de pesée lui sont raccordés d’une manière ou d’une autre, de la balance du maraîcher aux machines les plus complexes. Les processus d’étalonnage étaient laborieux et délicats à réaliser, le Grand K n’étant lui-même que très rarement manipulé de peur d’altérer le précieux étalon. Or, malgré ces précautions, il subissait la patine du temps comme n’importe quel objet. Les spécialistes se sont ainsi aperçus que la masse du Grand K avait varié de 50 microgrammes par rapport à ses copies en près de 130 ans…

De quoi plonger les métrologues dans un profond embarras, car ces masses censées ne jamais varier subissaient quand même des altérations… Avec des conséquences potentielles sur l’ensemble du Système international, puisque plusieurs « unités dérivés » dépendent elles-mêmes du kilogramme tels le newton ou le watt. Sans oublier la mole qui lui est directement associée, cette unité correspondant au nombre d’atomes contenus dans 12 grammes de carbone-12.

L’ampère posait lui aussi de sérieuses difficultés. Depuis 1948, il est défini à partir de la force mécanique exercée entre deux câbles « infiniment longs », séparés d’un mètre, où circule un courant. "Une définition très difficile à mettre en pratique", note Nadine de Courtenay, philosophe et historienne des sciences à l’université Paris-Diderot. Les professionnels de l’électricité l’ont d’ailleurs abandonné depuis trente ans ! Pour étalonner des courants, ils se réfèrent à l’ohm et au volt en utilisant les effets Hall et Josephson (voir lexique), "deux phénomènes quantiques fournissant des étalons bien plus reproductibles et maîtrisables que la réalisation de l’ampère", poursuit la chercheuse. Et que dire du kelvin qui depuis 1968 est défini comme la fraction 1/273,16 de la température du « point triple » de l’eau (soit 0,01 °C), où elle coexiste à l’état liquide, solide et gazeux ? "Cette définition n’est pas adaptée aux températures extrêmes", indique Thomas Grenon - inférieures à 20 kelvins par exemple. Elle dépend en outre de la qualité de l’échantillon, une pureté absolue étant virtuellement inatteignable…

Des grandeurs censées être parfaitement fixes

Dès les années 1990, la CGPM préconisait ainsi de réviser ces unités qui étaient toutes devenues plus ou moins « pathologiques ». Et elle recommandait de les redéfinir à partir de ce que la science connaît de plus intangible : les constantes fondamentales. "Ces grandeurs sont censées être parfaitement fixes, explique Christophe Daussy. Ainsi de la vitesse de la lumière : elle doit avoir la même valeur sur Terre et dans les plus lointaines galaxies, aujourd’hui comme il y a un million d’années ! "

Pour le kilogramme, il s’agissait ainsi de le redéfinir à partir d’une constante de la mécanique quantique dite constante de Planck. Cette grandeur (qui vaut environ 6,626 . 10-34 joule seconde) correspond en effet au produit d’une énergie par un temps. Or l’énergie est reliée elle-même à la masse par la formule d’Einstein E = mc2. On peut ainsi, mathématiquement, raccorder le kilogramme à la constante de Planck pour obtenir une unité de masse immatérielle et infiniment stable. Même chose pour le kelvin, en le rattachant à la constante de Boltzmann (liée à l’agitation thermique) ; pour l’ampère, en l’associant à la charge de l’électron ; et pour la mole, très utilisée en chimie notamment, conjuguée à la constante d’Avogadro.

Deux grandes conditions devaient toutefois être remplies pour assurer la continuité des mesures, un peu comme lorsqu’un pays change de monnaie. Première nécessité : mesurer ces constantes en les raccordant expérimentalement aux anciennes définitions. Les grands laboratoires de métrologie ont développé à cette fin des dispositifs aussi complexes qu’ingénieux, l’un des plus sophistiqués étant la « balance du watt ». Pour faire simple, elle permet d’équilibrer des masses - telles les copies du Grand K - avec des forces électromagnétiques et de déterminer la constante de Planck en utilisant les effets Hall et Josephson. Deuxième impératif : fixer une fois pour toutes la valeur des constantes après les avoir mesurées avec une incertitude au moins aussi bonne que celle des définitions en vigueur. Ce qui correspondait, dans le cas de la constante de Planck, à déterminer celle-ci avec une marge d’erreur qui ne dépasse pas 50 pour un milliard… Une gageure !

Ce n’est qu’en 2017 que toutes les exigences fixées ont pu enfin être satisfaites. Et le LNE a joué un rôle majeur dans cet effort qui aura duré près de trente ans. « Avec les équipes canadiennes et américaines, nous faisons partie des trois organisations à avoir pu mesurer, avec la balance du watt, la constante de Planck avec la précision requise », se félicite Thomas Grenon. Pour la constante de Boltzmann, le laboratoire de métrologie du LNE et du Conservatoire national des arts et métiers a même décroché le record mondial de la plus faible incertitude (0,57 millionième) jamais obtenue !

Si le nouveau système apparaît aujourd’hui comme le meilleur dont on puisse se doter, ce n’est pas le mot de la fin. Car la quête de la précision se poursuit. Et les métrologues travaillent déjà à la prochaine grande étape concernant la mesure du temps. Grâce à des dispositifs optiques détrônant les horloges atomiques actuelles, ils espèrent en effet redéfinir la seconde avec une précision d’un milliardième de milliardième, soit cent fois plus qu’aujourd’hui. Rendez-vous donc d’ici dix à quinze ans.


Source : Sciences et Avenir
Crédit : BIPM

Le cylindre conservé au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres, servant de référence international pour le kilogramme.

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La nouvelle définition mondiale du kilogramme entre en vigueur

"Un changement historique; une révolution." Thomas Grenon, directeur du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) à Paris, ne mâche pas ses mots pour décrire le grand bouleversement qui s’annonce dans le monde de la mesure, si essentielle pour les sciences, les activités industrielles et les échanges commerciaux. Quatre des sept unités de base du Système international ont en effet été redéfinies lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) se tenait du 13 au 16 novembre 2018 à Versailles (Yvelines).

Pourquoi un tel chambardement dans les unités de mesure ?

Il s’agit du kilogramme (masse), de l’ampère (intensité électrique), du kelvin (température) et de la mole (quantité de matière) - les trois autres étant le mètre (distance), la seconde (temps) et la candela (intensité lumineuse). Ces unités étaient jusqu’alors fondées sur des éléments physiques, en particulier un étalon matériel pour le kilo (lire S. et A. n° 844, juin 2017). "Désormais, les nouvelles définitions seront toutes reliées à des constantes fondamentales, explique Thomas Grenon. Un peu sur le modèle du mètre qui est déterminé, depuis 1983, à partir de la vitesse de la lumière dans le vide", cette unité correspondant à la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde. Elles seront officiellement adoptées à Versailles par la centaine de pays rattachés à la Convention du mètre, l’un des plus anciens traités diplomatiques toujours en vigueur.

Pourquoi un tel chambardement ? "L’organisation manquait de cohérence, chaque unité ayant été définie à des époques et selon des approches très différentes, répond Christophe Daussy, chercheur au Laboratoire de physique des lasers à l’université Paris-XIII. Celles qui seront redéfinies posaient du reste une série de problèmes". Le plus pressant concernait le kilogramme, dernière unité à être encore fondée sur un objet matériel.
"Le Grand K", étalon du kilogramme

Depuis 1889, elle correspond en effet, par définition, à la masse d’un cylindre de platine iridié appelé le « Grand K », conservé comme un trésor avec six de ses copies dans un coffre ultrasécurisé du Bureau international des poids et mesures (BIPM), au pavillon de Breteuil (Sèvres, Hauts-de- Seine). Tous les systèmes de pesée lui sont raccordés d’une manière ou d’une autre, de la balance du maraîcher aux machines les plus complexes. Les processus d’étalonnage étaient laborieux et délicats à réaliser, le Grand K n’étant lui-même que très rarement manipulé de peur d’altérer le précieux étalon. Or, malgré ces précautions, il subissait la patine du temps comme n’importe quel objet. Les spécialistes se sont ainsi aperçus que la masse du Grand K avait varié de 50 microgrammes par rapport à ses copies en près de 130 ans…

De quoi plonger les métrologues dans un profond embarras, car ces masses censées ne jamais varier subissaient quand même des altérations… Avec des conséquences potentielles sur l’ensemble du Système international, puisque plusieurs « unités dérivés » dépendent elles-mêmes du kilogramme tels le newton ou le watt. Sans oublier la mole qui lui est directement associée, cette unité correspondant au nombre d’atomes contenus dans 12 grammes de carbone-12.

L’ampère posait lui aussi de sérieuses difficultés. Depuis 1948, il est défini à partir de la force mécanique exercée entre deux câbles « infiniment longs », séparés d’un mètre, où circule un courant. "Une définition très difficile à mettre en pratique", note Nadine de Courtenay, philosophe et historienne des sciences à l’université Paris-Diderot. Les professionnels de l’électricité l’ont d’ailleurs abandonné depuis trente ans ! Pour étalonner des courants, ils se réfèrent à l’ohm et au volt en utilisant les effets Hall et Josephson (voir lexique), "deux phénomènes quantiques fournissant des étalons bien plus reproductibles et maîtrisables que la réalisation de l’ampère", poursuit la chercheuse. Et que dire du kelvin qui depuis 1968 est défini comme la fraction 1/273,16 de la température du « point triple » de l’eau (soit 0,01 °C), où elle coexiste à l’état liquide, solide et gazeux ? "Cette définition n’est pas adaptée aux températures extrêmes", indique Thomas Grenon - inférieures à 20 kelvins par exemple. Elle dépend en outre de la qualité de l’échantillon, une pureté absolue étant virtuellement inatteignable…

Des grandeurs censées être parfaitement fixes

Dès les années 1990, la CGPM préconisait ainsi de réviser ces unités qui étaient toutes devenues plus ou moins « pathologiques ». Et elle recommandait de les redéfinir à partir de ce que la science connaît de plus intangible : les constantes fondamentales. "Ces grandeurs sont censées être parfaitement fixes, explique Christophe Daussy. Ainsi de la vitesse de la lumière : elle doit avoir la même valeur sur Terre et dans les plus lointaines galaxies, aujourd’hui comme il y a un million d’années ! "

Pour le kilogramme, il s’agissait ainsi de le redéfinir à partir d’une constante de la mécanique quantique dite constante de Planck. Cette grandeur (qui vaut environ 6,626 . 10-34 joule seconde) correspond en effet au produit d’une énergie par un temps. Or l’énergie est reliée elle-même à la masse par la formule d’Einstein E = mc2. On peut ainsi, mathématiquement, raccorder le kilogramme à la constante de Planck pour obtenir une unité de masse immatérielle et infiniment stable. Même chose pour le kelvin, en le rattachant à la constante de Boltzmann (liée à l’agitation thermique) ; pour l’ampère, en l’associant à la charge de l’électron ; et pour la mole, très utilisée en chimie notamment, conjuguée à la constante d’Avogadro.

Deux grandes conditions devaient toutefois être remplies pour assurer la continuité des mesures, un peu comme lorsqu’un pays change de monnaie. Première nécessité : mesurer ces constantes en les raccordant expérimentalement aux anciennes définitions. Les grands laboratoires de métrologie ont développé à cette fin des dispositifs aussi complexes qu’ingénieux, l’un des plus sophistiqués étant la « balance du watt ». Pour faire simple, elle permet d’équilibrer des masses - telles les copies du Grand K - avec des forces électromagnétiques et de déterminer la constante de Planck en utilisant les effets Hall et Josephson. Deuxième impératif : fixer une fois pour toutes la valeur des constantes après les avoir mesurées avec une incertitude au moins aussi bonne que celle des définitions en vigueur. Ce qui correspondait, dans le cas de la constante de Planck, à déterminer celle-ci avec une marge d’erreur qui ne dépasse pas 50 pour un milliard… Une gageure !

Ce n’est qu’en 2017 que toutes les exigences fixées ont pu enfin être satisfaites. Et le LNE a joué un rôle majeur dans cet effort qui aura duré près de trente ans. « Avec les équipes canadiennes et américaines, nous faisons partie des trois organisations à avoir pu mesurer, avec la balance du watt, la constante de Planck avec la précision requise », se félicite Thomas Grenon. Pour la constante de Boltzmann, le laboratoire de métrologie du LNE et du Conservatoire national des arts et métiers a même décroché le record mondial de la plus faible incertitude (0,57 millionième) jamais obtenue !

Si le nouveau système apparaît aujourd’hui comme le meilleur dont on puisse se doter, ce n’est pas le mot de la fin. Car la quête de la précision se poursuit. Et les métrologues travaillent déjà à la prochaine grande étape concernant la mesure du temps. Grâce à des dispositifs optiques détrônant les horloges atomiques actuelles, ils espèrent en effet redéfinir la seconde avec une précision d’un milliardième de milliardième, soit cent fois plus qu’aujourd’hui. Rendez-vous donc d’ici dix à quinze ans.


Source : Sciences et Avenir
Crédit : BIPM

Le cylindre conservé au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres, servant de référence international pour le kilogramme.

LE GUIDE Naturellement

Agenda . . .


22 - Côtes d'Armor

Du 22 janvier au 12 mars

ATELIERS PEINTURE

"Aquarelle" avec Fanny Dreveau - Samedis 22 Janvier et 19 février de 10h à 16h30h
"Peinture à l'huile et clair-obscur" avec Jos Van de Ven - Vendredis 28 Janvier et 4 Mars de 10h à 16h30
"Calligraphie chinoise et abstraction" avec Sophie Deliss - Samedis 5 Février et 12 Mars de 10h à 16h30
"ARTIS" Arts Plastiques avec Claire Amossé - Samedis 12 Février et 5 Mars de 10h à 16H30

Pôle de l'Étang-Neuf
Musée de la Résistance en Argoat
22480 Saint-Connan
02 96 47 17 66
www.etangneufbretagne.com


34 - Hérault

Jusqu'au 27 mars 2022

EXPOSITION
"JEAN-FRANCIS AUBURTIN, UN ÂGE D'OR"

Jean-Francis Auburtin (1866-1930) s’inscrit dans la longue procession des peintres sur le motif : Delacroix, Courbet, Boudin, Jongkind, Monet...
En une centaine d'œuvres, le Musée de Lodève propose une rétrospective de ce peintre à redécouvrir.

Musée de Lodève
Square George Auric
34700 Lodève
04 67 88 86 10
www.museedelodeve.fr


39 - Jura

Jusqu'au 15 mars

EXPOSITION
"FRONTIÈRES DE SEL"

Reproductions d’objets, contenus numériques, vidéos et extraits sonores, archives inédites vous dévoileront tous les secrets du commerce du sel.
Une part belle sera également faite aux métiers de la restauration et du patrimoine avec la présentation en timelapse du travail de l’atelier Lythos, qui a réalisé un fac-similé de la borne destiné à être replacé sur le lieu de découverte à Montigny-les-Arsures.

La Grande Saline
3 place des salines
39110 Salins-les-Bains
03 84 73 10 92
www.salinesdesalins.com


71 - Saône et Loire

Le 16 février

ATELIERS
"BRICO RECUP"

Réutiliser, récupérer, créer, s’amuser… Voilà le programme de notre atelier récup’ où nous transformerons rouleaux de papier toilette, boîtes à œufs et bouteilles plastique en petits animaux et autres petits bricolages rigolos à emporter à la maison. A partir de 6 ans. De 14 h à 16 h .

Centre EDEN
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


Le 23 février

ATELIERS
"NICHOIRS ET CIE"

Présentation de nichoirs, conseil sur leur fabrication et leur installation. Assemblage d’un modèle en salle (choix à faire parmi 3 références). Tout public, enfants à partir de 9 ans. Dd 14 h à 16 h 30.

Centre EDEN
26 rue de l’Eglise
71290 Cuisery
03 85 27 08 00
www.centre-eden71.fr


88 - Vosges

Du 5 février au 18 septembre  

EXPOSITION
"POSADA, GENIE DE LA GRAVURE"

Cette exposition, première rétrospective en France de l’œuvre de José Guadalupe Posada (1852-1913) nous permet d’admirer l’inventivité et la dextérité d’un des grands maîtres de la gravure internationale qui a délaissé une carrière toute tracée pour mettre son talent au service de la presse populaire : illustrations de faits divers, contes, chansons... et les fameuses Calaveras.

Musée de l'Image
42 quai de Dogneville
88000 Épinal
03 29 81 48 30
https://museedelimage.fr

Lieux:

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