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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 . . .

01 - Ain

Du 30  août au 13 septembre

CONCERTS
"LES MUSICALES DU PARC DES OISEAUX"

Des artistes engagés en faveur de la protection de l’environnement et des musiciens de légende viendront fêter les 50 ans du Parc des Oiseaux.
Paul Personne - Zazie - Paolo Comte - Daniel Guichard - Vitaa & Slimane - The Dire Straits Expérience - Ibrahim Maalouf - Maxime Le Forestier - Yannick Noah - Louis Bertignac - Gauvin Sers - La Rue Ketanou.

Parc des Oiseaux
01330 Villars Les Dombes
04 74 98 05 54
www.parcdesoiseaux.com


09 - Ariège

Le 15 février

"FABRIQUE TA FLÈCHE ET TON PROPULSEUR ! "

Au coin du feu, vous vous transformerez en chasseur préhistorique ! Vous fabriquerezune flèche et un propulseur en bois avec les moyens disponibles au néolithique… Le tout se terminera par un bon goûter de chez nous !
Le samedi 15 février 2020 de 14h à 17h30. Sur inscription. 8,50 €/adulte – 7 €/enfant.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


Le 22 février

BALLADE EN RAQUETTE
"À LA DÉCOUVERTE DES TRACES DANS LA NEIGE..."

Venez découvrir la neige autrement. Vous apprendrez à lire la neige, à fabriquer un abri, à allumer un feu dans la neige ou interpréter des traces sur la neige...(Pique-nique tiré du sac).
Le samedi 22 février de 10h à 17h30. Sur inscription. 30 €/adulte & 25 €/enfant à partir de 12 ans. Location de raquettes : 5 €/personne.

Au Pays des Traces
Ferme de Miguet
09190 Saint-Lizier    
05 61 66 47 98
www.paysdestraces.fr


11 - Aude

Le 26 janvier

"L'UNIVERS DES POTIERS"

Plongez dans l'univers des potiers lors d'une visite guidée au musée. Tarif : 5 € / 3 €

Amphoralis
Allée des potiers
11590 Sallèles d’Aude
04 68 46 89 48
www.amphoralis.com


13 - Bouches du Rhône

Du 11 au 19 juin

BALADES EN MER
CONGRÈS MONDIAL DE LA NATURE DE L’UICN

Lors de ce rendez vous, des balades en mer à bord de l'Hélios, la seule vedette à passagers hybride de la compagnie Marseillaise ICARD MARITME, seront organisées par : Le parc National de la Côte Bleue : 10 juin - Le conservatoire du littoral : 11 & 16 juin - Le parc National des Calanques : 15 & 20 juin.

1 quai Marcel Pagnol
13007 Marseille
04 91 330 329
www.iucncongress2020


22 - Côtes d'Armor

Du 15 décembre au 15 mars

EXPOSITION
"FRONDAISONS"
La fabrique d’un maquis de l’Argoat

Le pôle de l'Étang-Neuf présente l'oeuvre de Sophie Zénon, "Frondaisons", la fabrique de l'image d'un maquis de l'Argoat, une exposition de photographies et de vidéos.

Pôle de l'Étang-Neuf
22480 Saint-Connan
02 96 47 17 66
www.etangneufbretagne.com


25 - Doubs

Du 15 février au 3 mai 2020

EXPOSITION
"GEORGES FESSY ET LA PHOTOGRAPHIE"

Exposition en coproduction avec le Familistère de Guise. Georges Fessy et la photographie est une rétrospective présentée à travers plus d’une centaine de photographies qui traduit la diversité d’une vie de photographe : paysages, portraits, natures mortes, objets d’art, vues d’architectures.

Saline royale
Grande Rue
25610 Arc et Senans
www.salineroyale.com


30 - Gard

Jusqu'au 8 mars

EXPOSITION
« FEU », l’expo brûlante de la rentrée au Pont du Gard

FEU conçue par Universcience qui propose d’explorer la thématique de la maîtrise du feu par l’humain. Accessible dès 9 ans, cette exposition rassemble des installations audiovisuelles, des dispositifs multimédia et des expériences interactives ainsi que de nombreux objets visant à enrichir la connaissance des visiteurs et à déconstruire les idées reçues.

Site du Pont du Gard
La Bégude
400 route du Pont du Gard
30210 Vers-Pont-du-Gard
04 66 37 50 99
www.pontdugard.fr


34 - Hérault

Jusqu'au 23 février

EXPOSITION
"Ensor, Magritte, Alechinsky..."

L'exposition invite à un cheminement sensible sur les sentiers de l'art Belge à travers une sélection de chefsd’oeuvre des collections du Musée d'Ixelles (Bruxelles).

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


39 - Jura

Du 20 janvier au 2 avril

ATELIERS
"L’ŒIL ET LA MAIN"

Le Musée de la Lunette organise  une visite de l’exposition temporaire « Les lunettes en voient de toutes les couleurs ». Les enfants découvriront l’utilisation de la couleur en lunetterie, ses principes et surtout son design inspirant ! Ils participeront par la suite à un atelier artistique animé par l’une de nos artistes plasticiennes. Cet atelier est à destination des scolaires, de la maternelle au collège.

Musée de la Lunette
Place Jean Jaurès
39400 Morez - Hauts de Bienne
03 84 33 39 30
www.musee-lunette.fr


63 - Puy-de-Dôme

Janvier et février

"CLASSE NEIGE A PETITS PRIX"

Au Centre des Volcans propose un passeport Évasion Glacée à petits prix pour les derniers créneaux disponibles en janvier et février 2020.Venez découvrir les volcans sous la neige...

Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


De janvier à mars

SEJOURS SCOLAIRES
"LES 4 ÉLÉMENTS" et "L'AUVERGNE DES NEIGES"

Des tarifs imbattables sur les séjours scolaires pour les mois de janvier, février et mars 2020 ! Séjours à réserver rapidement.

.Au Centre des Volcans
Rue du Frère Genestier
63230 Pontgibaud
04 73 68 18 18 / 06 21 30 79 36
www.au-centre-des-volcans.fr


65 - Hautes-Pyrénées

Le 15 février

EXPÉDITION SOUTERRAINE
"GRAVER ET PEINDRE DANS UNE GROTTE"

Aller au fond d’une grotte pour peindre ou graver n’est pas une chose anodine ! Évoluer sur un sol accidenté, marcher, ramper ou encore escalader des parois dans l’obscurité et l’humidité montre que nos ancêtres prenaient des risques insensés ! Venez vivre un parcours initiatique dans la préhistoire. Réservation obligatoire. A partir de 8 ans.

Grottes préhistoriques de Gargas/Nestplori@
Route départementale 261
65660 Aventignan
https://grottesdegargas.fr


81 - Tarn

Jusqu'au 2 février

EXPOSITION
"PRESQUE"

Emmanuelle Pernet nous présente cette année, au travers d’une vingtaine de des-sins et d’une installation, son travail sur le mouvement et la persistance rétinienne.

Muséum d’histoire naturelle Philadelphe-Thomas
2 place Philadelphe Thomas
81600 Gaillac
05 63 57 36 31
www.ville-gaillac.fr

Lieux:

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