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Posté par Adrien le Dimanche 05/11/2017 à 00:00
Combien pèse un kilo ?
Le Kilogramme ne pèse plus un kilogramme. Cette nouvelle déroutante a été annoncée lors d'un séminaire au CERN, jeudi 26 octobre, par Klaus von Klitzing, qui a reçu en 1985 le prix Nobel de physique pour la découverte de l'effet Hall quantique. « Nous allons être témoins d'un changement révolutionnaire dans la manière de définir le kilogramme », a-t-il indiqué. 


La balance du watt NIST-4 du National Institute of Standards and Technology a mesuré la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille des quanta. Elle joue un rôle central dans la mécanique...) avec une précision de 13 parties par milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf...), précision suffisante pour participer à la redéfinition du kilogramme. (Image: J. L. Lee/NIST)

Le kilogramme, unité de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...), fait partie avec six autres unités (le mètre, la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. ...), l'ampère, le kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms...), la mole et la candela) du Système international d'unités (SI), qui sert de référence pour exprimer par des nombres tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) ou phénomène naturel mesurable. La définition actuelle du kilogramme se base sur un petit cylindre (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une...) en alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) et d'iridium, surnommé le « grand K » et pesant exactement un kilogramme. Ce cylindre a été fabriqué en 1889 et il est depuis gardé en sûreté, protégé par trois cloches de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de...) dans un coffre-fort de haute sécurité dans la banlieue (La banlieue désigne communément l'espace urbanisé d'une ville qui est situé dans la continuité du bâti de sa ville-centre et qui en est administrativement distinct.) de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre...). Mais il y a un problème : l'étalon du kilogramme perd du poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à l'opposé de la résultante des...). Il s'agirait, d'après la dernière vérification, d'environ 50 microgrammes. Ces 50 microgrammes suffisent à ce que l'étalon ne soit plus, comme c'était initialement le cas, identique à ses copies, conservées dans des laboratoires du monde (Le mot monde peut désigner :) entier. 

Pour résoudre ce problème de poids, les scientifiques ont cherché une nouvelle manière de définir le kilogramme.

Lors de la Conférence générale quadriennale des poids et mesures de 2014, la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la...) de la métrologie a décidé officiellement de redéfinir le kilogramme en fonction de la constante de Planck (h), quantité issue de la mécanique quantique qui met en relation l'énergie d'une particule avec sa fréquence, mais aussi, grâce à l'équation d'Einstein E?=?mc^2, avec sa masse. La constante de Planck est l'un des nombres fondamentaux de notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), une quantité dont la valeur reste universellement fixe dans la nature, comme la vitesse (On distingue :) de la lumière ou la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) électrique d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.).

Une valeur fixe exacte sera déterminée pour la constante de Planck, sur la base des meilleures mesures obtenues dans le monde entier. Le kilogramme sera ainsi redéfini grâce à la relation existant entre la constante de Planck et la masse. 

Le processus de redéfinition n'est pourtant pas aussi simple qu'il n'y paraît. Le Bureau international des poids et mesures, organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais dans ce cas, une fonction est...) responsable de la gestion des accords internationaux sur les mesures, a imposé des exigences strictes pour la procédure à suivre : trois expériences indépendantes mesurant la constante de Planck devront se mettre d'accord sur la valeur qui en sera dérivée pour le kilogramme, avec une marge d'incertitude inférieure à 50 parties par milliard (ppb), et à 20 ppb pour l'une d'entre elles au moins. 50 parties par milliard équivaut, dans le cas présent, à environ 50 microgrammes, soit à peu près le poids d'un cil (Les cils sont des poils, qui poussent sur le bord libre des paupières des êtres humains (c'est-à-dire sous les paupières), qui empêchent la transpiration et les corps étrangers comme les...).

Deux types d'expériences se sont révélées capables de lier la constante de Planck à la masse avec une précision aussi exceptionnelle. Une des méthodes, pratiquée par une équipe internationale connue sous le nom Avogadro Project, consiste à compter les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) contenus dans une sphère de silicone (Les silicones, ou polysiloxanes, sont des composés inorganiques formés d'une chaine silicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle...) 28 ayant exactement le même poids que l'étalon du kilogramme. La deuxième méthode requiert une balance d'un type particulier, appelée balance du watt. Elle fonctionne en équilibrant des forces électromagnétiques avec une masse, la masse utilisée pour ce test étant calibrée pour correspondre exactement à l'étalon du kilogramme.

C'est là qu'entre en jeu la découverte majeure faite par Klaus von Klitzing en 1980, qui lui a valu le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques...). Pour obtenir des mesures de très haute précision du courant et de la tension (La tension est une force d'extension.) des forces électromagnétiques se trouvant dans la balance du watt, les scientifiques utilisent deux constantes universelles. La première est la constante de von Klitzing, qui est connue avec une extrême précision et qui peut à son tour être définie en fonction de la constante de Planck et de la charge de l'électron. La constante de von Klitzing décrit la manière dont la résistance est quantifiée dans le cadre d'un phénomène de mécanique quantique appelé « effet Hall quantique », observé lorsque des électrons sont confinés dans une couche de métal extrêmement fine soumise à des températures basses et à de forts champs magnétiques.

« Il s'agit vraiment d'une révolution majeure, conclut Klaus von Klitzing. En fait, on a même dit qu'il s'agissait de la plus grande révolution, dans la métrologie, depuis la Révolution française, quand le premier système international d'unités avait été introduit par l'Académie française des sciences. »

Le CERN participe à cette révolution : le Laboratoire a pris part à un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité de contribution,...) de métrologie, initié par l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) suisse de métrologie METAS, visant à construire une balance du watt qui jouera un rôle dans l'harmonisation de la nouvelle définition du kilogramme en fournissant des mesures extrêmement précises de la constante de Planck. Le CERN a fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un archipel de...) un élément essentiel de la balance du watt : le circuit magnétique nécessaire pour créer les forces électromagnétiques qui seront équilibrées par la masse de test. L'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation...) doit être extrêmement stable pendant la mesure, et fournir un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique très homogène. 

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Source: Corinne Pralavorio - Copyright CERN