Les scientifiques redéfinissent le kilogramme

Image: image vidéo de Contunico / ZDF Enterprise / Brittanica.com

Arrêtez les presses! Les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie ont fait une nouvelle mesure de la constante de Planck à un degré très précis. C'est la dernière étape vers l'amélioration de la définition officielle du kilogramme, l'unité de masse qui sous-tend tout notre système international de poids et de mesures.

Euh ... ouais? Reconnaissons simplement que, comme le disent les nouvelles scientifiques passionnantes, il s'agit d'une vente difficile au-delà des nerds les plus hardcore de la physique. Mais cela compte vraiment beaucoup.

Le co-auteur Jon Pratt, chef de division au NIST, compare ces tâches à l'entretien du réseau routier inter-états. «Tout le monde veut conduire sur la chose, mais personne ne pense vraiment à la façon dont il est arrivé là», a-t-il déclaré à Gizmodo. «La réalisation de ces mesures standard très basiques fournit l’infrastructure ultime.» Il admet que cela ne semble toujours pas particulièrement convaincant, "mais son absence serait très convaincante."

La constante de Planck ( h ) est au cœur de la mécanique quantique. Les atomes ne peuvent dégager de l'énergie que dans des paquets discrets connus sous le nom de «quanta» - tout comme la monnaie ne vient que dans des dénominations spécifiques - et cette quantité d'énergie est proportionnelle à la constante de Planck. C'est un nombre vraiment minuscule, et donc extrêmement difficile à mesurer avec précision. En utilisant une version high-tech d'une balance à l'ancienne, les scientifiques du NIST sont arrivés à une valeur de 6,62606983x10 -34 kg ∙ m 2 / s, avec une précision de 34 parties par milliard. Ils ont décrit leur dernière mesure dans un nouvel article dans Review of Scientific Instruments .

Le prototype international d'un kilogramme, ou IPK. (Image: BIPM)

Les physiciens ne font pas cela uniquement pour rire. Tout cela fait partie d'un effort plus large visant à redéfinir le kilogramme. Actuellement, sa valeur est définie par un véritable artefact métallique de la taille d'une balle de golf - surnommé «Le Grand K» ou IPK (pour International Prototype of the Kilogram ) - logé dans un coffre-fort sécurisé, sous trois bocaux en verre, à l'International Bureau des poids et mesures (BIPM) juste à l'extérieur de Paris. Cet artefact a établi la norme du kilogramme au cours des 127 dernières années. Mais il devrait être progressivement supprimé en 2018.

Les origines du kilogramme remontent au règne du roi de France Louis XVI, qui a créé une unité appelée la tombe pour mesurer la masse en réponse à toutes les tricheries qui se déroulent parmi les commerçants. Après la Révolution française et l'établissement de la nouvelle République, les dirigeants au pouvoir ont décidé en 1795 que la mesure de la masse devait être le gramme , qu'ils définissaient comme le poids absolu d'un centimètre cube d'eau à 4 degrés Celsius.

Mais ce n'était pas pratique pour le commerce et le commerce - qui veut transporter une unité d'eau de la taille d'un petit pois toute la journée? C'est ainsi que le kilogramme est né le 22 juin 1799: un morceau de métal massif 1000 fois plus massif que le gramme. En 1875, dix-sept pays, y compris les États-Unis, ont signé un traité afin qu'ils puissent tous utiliser les mêmes unités pour la masse et la longueur, et «Le Grand K» a été contrefait, avec des copies envoyées à tous les pays participants. L'artéfact américain est hébergé au NIST.

Si le kilogramme fonctionne très bien depuis plus d'un siècle, pourquoi le gâcher? Eh bien, c'est actuellement la seule unité standard qui repose encore sur un artefact physique. Un mètre était autrefois défini par un bâton en métal avec deux marques dessus, mais en 1983, il a été redéfini en fonction de la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 secondes.

De plus, au fil du temps, les différents artefacts ont divergé les uns des autres en termes de masse. Même lorsqu'elles sont soigneusement stockées sous des cloches, les répliques ont lentement gagné en masse en absorbant les contaminants dans l'atmosphère, bien que des nettoyages périodiques puissent aider à minimiser ce gain. L'IPK lui-même perd en fait de la masse, par rapport à toutes ses copies officielles, un phénomène qui déconcerte franchement les physiciens. Cet écart est important car une grande partie de la science de pointe d'aujourd'hui nécessite de mesurer les choses à des échelles ultra-petites.

La balance en watts NIST-4 utilisée pour mesurer la constante de Planck à 34 parties par milliard. (Image: JL Lee / NIST)

Si les scientifiques ne peuvent pas compter sur le kilogramme pour des mesures précises, cela pose des problèmes importants pour le reste du système de mesure SI, car le kilogramme sous-tend à peu près tout.

La définition du newton, par exemple, est la force nécessaire pour accélérer d'un kilogramme à un mètre par seconde au carré. Si la valeur du kilogramme change même légèrement, il en va de même pour la valeur du newton. Et le newton est la clé pour déterminer la définition officielle du pascal (une unité de pression), du joule (une unité d'énergie) et de l'ampère. Et ainsi de suite pour chaque unité standard sur laquelle nous comptons.

C'est pourquoi les scientifiques ont à cœur de redéfinir le kilogramme en fonction d'une constante fondamentale de la nature. «Nous passons maintenant à quelque chose qui est une abstraction complète», a déclaré Pratt. Contrairement à l'artefact physique, dont la masse change très légèrement avec le temps, une constante fondamentale n'est que cela: constante et inchangée dans tout l'univers (du moins en théorie).

En 2007, un mathématicien et un physicien ont suggéré de redéfinir le kilogramme comme la masse d'un grand nombre d'atomes de carbone-12. C'est certainement une façon de le faire, mais il est également possible de la redéfinir en fonction de la constante de Planck (la valeur mathématique inclut le kilogramme), en supposant que diverses mesures indépendantes dans le monde puissent s'accorder avec une grande précision.

Et c'est pourquoi cette dernière mesure NIST est importante: c'est l'un des nombreux efforts en cours pour mesurer la constante de Planck en France, au Canada, en Allemagne et aux États-Unis.Une collaboration utilise une méthode qui consiste à compter les atomes dans une sphère de silicium presque parfaite. L'équipe du NIST utilise un appareil connu sous le nom de balance Watt . Il s'agit essentiellement d'une balance de haute technologie qui compare le poids d'une masse donnée à la force électromagnétique nécessaire pour l'équilibrer. Ce nombre peut ensuite être utilisé pour calculer la constante de Planck. «La balance de Watt peut en fait établir un lien entre la masse et la constante de Planck», a déclaré l'auteur principal Darine el Haddad à Gizmodo.

Une fois que tous les résultats sont entrés, ils seront introduits dans un ordinateur, qui analysera les données pour arriver à la meilleure valeur globale de la constante de Planck. Et cela deviendra la nouvelle base du kilogramme à partir de 2018.

La plupart d'entre nous ne le remarqueront probablement pas. Mais les scientifiques auront d'autant plus confiance lorsqu'ils effectueront des mesures délicates à l'avenir. Et ils devront tout cela à une poignée de héros méconnus qui ont travaillé pendant des années à une tâche ingrate pour s'assurer que le kilogramme reste vraiment constant pour toujours.

[ Examen des instruments scientifiques ]

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