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Le kilo, un poids et deux mesures

Le kilogramme étalon est protégé par trois cloches en verre pour réduire au maximum son exposition.
Le kilogramme étalon est protégé par trois cloches en verre pour réduire au maximum son exposition. Benoit Tessier, Reuters

Le kilogramme est la dernière des principales unités de mesure rattachée à un étalon physique. Mais les scientifiques vont changer sa définition, vendredi, qui dépendra à l'avenir de la constante de Planck. Explications.

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Le kilogramme est mort, vive le kilogramme. Sa définition va changer à l’occasion de la 26e Conférence générale des poids et mesures, qui se déroule à Versailles du lundi 13 au vendredi 16 novembre. À l’issue de ce grand raout métrologique, les scientifiques doivent signer un nouveau traité pour entériner la mise à la retraite de l’ancien étalon, qui permet actuellement de calibrer les balances du monde entier. En mai 2019, le nouveau système, basé sur une formule mathématique, entrera en vigueur.

Ce passage de relais marque la première évolution du kilogramme depuis 1875. Il répond à une exigence de plus grande précision et universalité pour pallier les limites de l’actuel kilo étalon, d’après les travaux préparatoires au Congrès de Versailles.

De l’eau au platine iridié

À l’origine, il y a l’eau. À l’époque de la Révolution française, les scientifiques ont voulu trouver des "unités naturelles, les plus universelles possibles", raconte Pierre Cladé, physicien au CNRS, contacté par France 24. Ils décident qu’un kilo équivaut à un litre d’eau. Une référence facile à utiliser, mais pas des plus pratiques ou précises. La chaleur ou le froid, par exemple, peuvent altérer la masse d’un litre d’eau, ce qui peut influer sur son poids.

Pour remédier à ce problème inhérent au liquide, l’étalon devient solide en 1875. Les scientifiques mettent au point un cylindre de platine iridié de 4 cm de diamètre sur 4 cm de hauteur qui devient la nouvelle référence pour le kilogramme. Il a été conçu pour peser à peu près autant qu’un litre d’eau "afin d’assurer une continuité", souligne Pierre Cladé. Ce bloc de métal, baptisé "grand K", est conservé à Sèvres (Haut-de-Seine) sous trois cloches, pour le protéger de tout choc ou pollution extérieure qui pourrait altérer sa masse.

Il sert d’étalon à tous les pays qui fabriquent leurs propres cylindres de platine iridié. Autant de modèles ensuite utilisés pour calibrer les balances du monde entier, que ce soit dans les laboratoires de pointe ou dans la cuisine de grand-mère. "Si vous achetez une balance, elle est censée avoir suivi toute une chaîne de calibrations qui remonte au kilogramme étalon. C’est la chaîne de certification", précise Pierre Cladé. En principe, le "grand K" est immuable, ce qui assure qu’un kilo de café acheté en Colombie équivaut à un kilo en France. "Cette universalité de la mesure est essentielle aux échanges commerciaux", souligne le physicien français. Mais, peu à peu, les scientifiques se sont aperçu que l’étalon n’est pas si parfait.

Le kilo perd ou gagne du poids

Les métrologues se réunissent tous les quarante ans pour s’assurer que les différentes répliques nationales du "grand K" pèsent toujours le même poids que l’étalon parisien. Ils découvrent que ce n’est pas le cas. Les différences sont de l’ordre de quelques dizaines de microgrammes et les recettes de grand-mère ne sont pas en danger, mais les écarts ont tendance à se creuser.

Tout comme le litre d’eau, la masse du cylindre de platine iridié a varié. "Il y a des phénomènes chimiques que l’on ne contrôle pas, et tout morceau de métal absorbe des molécules qui peuvent altérer sa masse", explique Pierre Cladé. À chaque comparaison, il y a un processus de nettoyage qui, même s’il est effectué avec la plus grande rigueur, peut laisser des traces. Heureusement, la recherche scientifique a fait des progrès qui permettent, aujourd’hui, de trouver une définition plus fiable du kilogramme.

Référence à la constante de Planck

"Les scientifiques aiment définir les unités par rapport à des valeurs universelles, et celles qui sont mesurées le plus précisément sont issues des lois de la physique quantique [l’étude des processus au niveau de l’infiniment petit, NDLR]", note le physicien français. L’un des postulats de la science est d’ailleurs que les lois de la physique sont immuables et universelles.

Le kilogramme, dernière unité de mesure à être encore matérialisée par un objet, va donc entrer dans l’univers quantique où il sera défini par rapport à la constante de Planck. Il s’agit d’une constante qui "est, en quelque sorte, l’alpha et l’oméga de la physique quantique", souligne Pierre Cladé. À l’origine, elle a permis de mesurer l’énergie de chaque photon, qui est une particule élémentaire de la lumière. Mais cette équation se retrouve à tous les étages de la physique quantique. Elle sert, notamment, à mesurer l’énergie électrique.

C’est cet aspect qui intéresse les scientifiques pour définir le kilogramme. Car ils ont développé un outil, à partir des années 1980, qui permet de déduire une masse à partir de l’énergie électrique et vice-versa : la balance du watt.

En plaçant le "grand K" (ou l’une de ses répliques) sur la balance, on va obtenir une valeur que les scientifiques pourront relier à la constante de Planck. Il suffira ensuite de calibrer toutes les balances de watt en fonction de cette valeur. Le cylindre de platine iridié pourra alors prendre une retraite bien méritée.

Tout change mais rien ne change

Le kilo de sucre ne va pas s’alourdir ou s’alléger pour autant, car la constante de Planck va être définie au plus près du poids du "grand K". Le changement sert plutôt à s’assurer que les développements technologiques futurs n’auront pas à pâtir d’une unité de mesure du poids devenue trop imparfaite. C’est notamment important avec le développement des nanotechnologies où la précision des mesures à plusieurs chiffres après la virgule peut s’avérer très important.

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