Pourquoi le kilo a été redéfini

Derrière moi, c’est le pavillon de Breteuil. C’est le siège du BIPM, le Bureau international des poids et mesures. Dans le sous-sol d’un de ces bâtiments, on conserve ça : l’étalon du kilogramme, un cylindre en platine iridié appelé aussi le grand K.

Il est très précieux. Normal ! La poids de tous les objets est fondée sur ce que pèse cet étalon.

Comme cette pomme, ça, ça ou ça. Mais le problème, c’est que cet étalon censé faire précisément un kilo, ne fait plus vraiment un kilo… Jusqu’au XVIIIe siècle, pour mesurer un même objet, on utilisait des unités différentes d’une région à l’autre, d’un village à l’autre et même d’un métier à l’autre. Once, tonneau, ligne, pied-du-roi, roquille, foudre, corde, boisseau, etc.

Il y avait plus de 700 unités de mesure. Pour construire des immeubles, échanger des produits, taxer les sujets du roi ou transmettre des idées, notamment scientifiques, c’était la confusion ! Pour mettre de l’ordre dans tout ça, il a donc fallu prendre… des mesures.

Au moment de la Révolution française, on décide que chaque unité de mesure sera désormais invariable, naturelle et universelle. Pour ça, on définit des étalons. C’est-à-dire des choses immuables auxquelles se référer pour chaque unité de mesure.

Exemple, le mètre. En 1791, les scientifiques le définissent par rapport au méridien de la Terre. Désormais, le mètre sera égal à un dix-millionième de l’arc reliant le pôle boréal, c’est-à-dire le pôle Nord, à l’équateur.

De la même manière, le gramme est défini en 1793 à partir d’un cm3 d’eau pure à 4 °C. Et pour matérialiser ces unités de mesure, en 1799, ils font fabriquer des étalons en platine du mètre et du kilogramme. Problème.

Avec les progrès de la science, on s’est rendu compte que ces étalons n’étaient plus assez précis et leurs matériaux pas assez stables. C’est embêtant pour des étalons. Celui du kilogramme par exemple, sans que l’on sache trop pourquoi, a varié d’environ 50 microgrammes : l’équivalent du poids d’une empreinte digitale.

Pour les scientifiques, c’est suffisant pour rendre leurs mesures moins précises. Or, les physiciens ont besoin de mesures de plus en plus précises. Pour cette raison, la Conférence générale sur les poids et mesures a convenu en 2011 que le kilogramme devrait être redéfini en s’appuyant sur une constante.

En l’occurrence, la constante de Planck. Pourquoi une constante ? Parce que c’est un phénomène physique naturel et im-mu-able.

Je vous explique. Aujourd’hui, il y a sept unités de base. Le mètre, la seconde, l’ampère, le kelvin, la mole, la candela et le kilogramme.

Et six d’entre elles sont fondées sur des constantes. Par exemple, pour définir le mètre, en 1983, le méridien a été remplacé par une constante physique universelle : la vitesse de la lumière. Désormais, le mètre est égal à la distance parcourue dans le vide par la lumière pendant une durée de, attention !

Accrochez-vou s! 1 299 millionièmes 792 458 de seconde. Le kilo, lui, est la dernière unité à avoir pour référence un objet matériel.

Et ça pose problème parce que : Un : comme on l’a dit, c’est pas fiable. Et deux : certaines autres unités de mesures, comme la mole, l’ampère et la candela, dépendent elles-mêmes de la définition du kilogramme. Alors pour remplacer cet étalon matériel par une formule mathématique, qui, elle, ne s’use pas, les physiciens ont déterminé la valeur numérique de la constante de Planck, qui se lit de cette manière : Franck Bielsa est physicien, il travaille au Bureau international des poids et mesures qu’on a vu au début de la vidéo.

Il nous explique pourquoi cette constante a été choisie. « Eh bien parce que c’est une constante qui a un lien intrinsèque avec les grandeurs qui nous concernent ici. Donc les grandeurs qui nous concernent pour la redéfinition du kilogramme, ça va être : le kilogramme, donc la masse, et ça va être les fréquences.

La constante de Planck est une des constantes, avec la vitesse de la lumière, qui permet de lier les fréquences à la masse. » Reprenons la formule. La fréquence, elle est notée ici s-1, c’est le nombre de fois où quelque chose se produit en une seconde.

Or on l’a dit, les unités fondamentales comme la seconde ou le mètre, justement, ont déjà été redéfinies. Donc, si on connaît déjà m, le mètre, la fréquence, donc s-1, et que l’on connaît la constante de Planck, alors on peut définir la valeur du kilogramme. Ça c’est pour la logique mathématique.

Maintenant, concrètement, comment est-ce que l’on calcule h, la constante de Planck ? Eh bien les chercheurs ont utilisé deux méthodes. La première est fondée sur une balance très spéciale : la balance de Kibble, dite aussi balance du watt.

Alors si le fonctionnement précis de cette balance vous intéresse, vous trouverez des liens sous cette vidéo. Mais là ce qu’il faut retenir pour comprendre l’essentiel, c’est que grâce à cette balance, on peut faire le lien entre la masse d’un objet et des propriétés électriques, qui font intervenir la constante de Planck. « On fait, c’est qu’on va utiliser la constante de Planck comme passerelle entre notre unité de masse et des unités de fréquence.

Donc on va mesurer une fréquence pour déterminer la masse qu’on souhaite peser. » En clair, en faisant des milliers de tests, pour éprouver cette « passerelle » entre poids et fréquence, avec plusieurs balances de Kibble différentes, on a pu définir très précisément la valeur de la constante de Planck. La seconde méthode pour calculer la constante de Planck, elle, consiste à faire un détour par une autre constante, celle d’Avogadro.

Cette fois, plus de balance du watt : les scientifiques utilisent une sphère de silicium pur de 10 centimètres de diamètre. Pour faire simple : le silicium est un matériau très connu. Avec cette sphère parfaite, on peut savoir très précisément le nombre d’atomes qui la composent.

Avec ce nombre d’atomes, comme on connaît la masse d’un atome de silicium, on peut retrouver la constante d’Avogadro. Enfin, une formule mathématique permet de passer de la constante d’Avogadro à la constante de Planck. Finalement ces deux méthodes ont trouvé des résultats un tout petit peu différents mais tout de même beaucoup plus précis que si on avait gardé notre bon vieux cylindre en platine iridié.

Alors c’est sûr que dans la vie de tous les jours, pour peser les ingrédients nécessaires à la tarte aux pommes, ça ne changera rien du tout. Mais dans le domaine de la recherche, par exemple dans les nanotechnologies, ça aura sans doute un impact considérable.