Callac-de-Bretagne

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La Métrologie .

Une révolution silencieuse se prépare à Versailles. Une révolution pacifique. Une révolution scientifique.

Le systeme international d'unités (SI) va être totalement remodelé à la faveur de la 26ème  Conférence générale des poids et me sures (CGPM), qui s'ouvre ce mardi. Ce rendez-vous quadriennal doit en effet se clore vendredi après-midi par un vote historique actant la redéfinition des sept unités fondamentales. La seconde (temps), le kilogramme (masse), le mètre (longueur), le 'kelvin (température), l'ampère (intensité électrique), la mole (quantité de matière) et la candela (intensité lumineuse) seront désormais tous définis en les reliant a des constantes fondamentales de la physique ou de la nature.
C'est un changement de paradigme complet, souligne Luc Erard, membre du Comité international des poids et mesures qui propose cette réforme Cela peut sembler abstrait de prime abord. Mais cela signifie que les métrologues sont suffisamment convaincus de la solidité de nos connaissances théoriques pour abandonner totalement les références au monde macroscopique afin de dé finir les outils qui nous permettent de mesurer le monde.

En l'occurrence, ils sont surtout prêts à abandonner le prototype international du kilogramme (Plka), petit cylindre de moins de quatre centimètres de haut en platine iridié conservé au pavillon de Breteuil, à Sevran, qui constituait depuis 1889 la référence absolue pour la masse. Si vous vous demandiez ce qui définissait le kilogramme jusqu'à présent, eh bien, c'était la masse de cet objet, et rien d'autre.
metro
Le prototype international du kilogramme (PIK), un petit cylindre de moins de quatre centimètres en platine iridié, est conservé  au pavillon de Breteuil (Hauts-de Seine) et constitue depuis 1889 la référence absolue pour la masse.

De la même manière, le mètre était dé fini par un étalon physique jusqu'en 1960: une règle en platine iridié qui mesure un dix millionième de l'arc méridien allant du pôle à l'équateur (la mesure de cet arc est l'objet d'une épopée métrologique extraordinaire réalisée par Delambre et Méchain, mais c'est une autre histoire). C'est d'ailleurs le mètre qui est historiquement à la base de tout le système d'unités. C'est pourquoi on parle aussi souvent de s système métrique. Imaginé au moment de la Révolution française, il avait pour objectif de fournir un réfé rentiel commun absolu à l'humanité tout entière, jusque- là,  chaque région, chaque pays, disposait en effet de ses propres unités de mesure.

Les métrologues auraient pu garder le prototype international du kilogramme encore de nombreuses années s'ils n'avaient pas constaté que sa masse variait au cours du temps! Depuis sa création, le prototype (aussi appelé « Grand K » en dépit de sa petite taille) est de plus en plus léger par rapport à ses copies - à moins que ses copies ne soient de plus en plus lourdes, il est impossible de trancher. La dérive est légère, 50 microgramme par siècle, mais cela faisait désordre. Il était donc urgent de faire quelque chose (l'urgence étant toutefois une notion assez relative pour les métrologues la dérive est confirmée depuis 1989).
Mais que choisir comme nouvel étalon de masse? Le débat fut intense. Il fut notamment question de définir le kilogramme en fixant la masse d'un atome particulier, puis en déterminant le nombre d'atomes nécessaires pour atteindre un kilo. Les métrologues ont finalement opté pour une définition plus abstraite encore; le kilogramme sera défini en fixant la constante de Planck, notée h. Il s'agit de la grandeur la plus fondamentale de la mécanique quantique. Elle est apparue naturellement lorsque les scientifiques ont découvert que l'énergie n'est pas une donnée continue à petite échelle, mais qu'elle se découpe en petits paquets indivisibles appelés «quartas». La constante de Planck définit la taille de ces paquets.

Deux techniques au moins permettent de relier le kilogramme à la constante de Planck. La première, dite balance du watt ou de kibble (du nom de son inventeur, décédé en 2016), consiste à mesurer la force électromagnétique nécessaire pour soulever une masse d'un kilogramme. Cette force s'exprime en fonction de h, ce qui permet d'en estimer la valeur.

L'autre technique consiste à compter le nombre d'atomes contenus dans une sphère quasi parfaite de silicium. Celle-ci puisse retrouver l'eau à l'équilibre entre ses états solide, liquide et gazeux (0,16 °C). Plus on s'éloignait de cette température, plus les mesures perdaient en précision. À tel point qu'à quelques milliers de degrés, il était impossible d'effectuer des mesures précises au degré près... 12 température sera définie en fixant la constante de Boltzmann, qui caractérise le lien existant entre énergie et température.
Pour terminer, la mole était jusque-là définie comme étant le nombre d'atomes contenus dans 12 grammes d'un isotope du carbone bien particulier, ce qu'on appelle aussi le nombre d'Avogadro. Or la collaboration qui a n'a  la sphère de silicium parfaite permettant de mesurer la valeur de la constante de Planck, pour la définition du kilogramme, est en effet parvenue à cette occasion à déterminer très précisément le nombre d'atomes de silicium contenu dans une masse donnée. Comme les rapports entre les masses des atomes sont très bien connus, cela revenait aussi en pratique à déterminer le nombre d'atomes contenus dans 12 grammes de carbone. Et donc à déterminer une valeur précise de ce nombre, qui est désormais lui aussi fixe pour définir la mole. Les notions de quantité de matière et de masse seront désormais découplées. Ce qui ne plait pas forcément aux chimistes qui, en pratique, utilisent plutôt des balances...
 Les deux dernières unités fondamentales, la seconde et la candela, restent, elles, inchangées sur le fond, même si la forme de leur définition sera harmonisée. Toutes les unitésseront définies de telle sorte qu'une constante fondamentale de la physique (ou de la nature) qui leur sera en quelque sorte associée ait une valeur fixée, exprimée dans ce système d'unités.

«Le nouveau système est très satisfaisant  sur le plan intellectuel», se félicite Christian Bordé, directeur de recherche émérite au CNRS et président du Comité de métrologie de l'Académie des sciences. «C'est le rêve de Max Planck qui se réalise, un siècle plus tard. Le célèbre physicien allemand avait eu l'intuition d'un système d'unités « naturelles" qui serait tout entier basé sur des constantes physiques universelles. La forme qu'il a prise est un peu différente de celle qu'il avaitimaginée, mais sa philosophie est équivalente. »
Les plus puristes pourraient s'interroger sur la pertinence de conserver une unité tautologique comme la mole (qui revient à dire qu'une douzaine est composée de douze élértents) ou du caractère fondamental de la candela, imposée après -guerre par les lobbies de l'éclairage. « C'est avant tout une construction humaine qui est le reflet d'une longue histoire», balaye Jean Philippe UZAN, physicien à l'Institut d’astrophysique de Paris qui effectuera une présentation vendredi matin à la CGP.11 sur le rôle de la constante de Planck en. Physique. «Ces petites imperfections, si tant est qu'on puisse parler d'imperfections toit cela dépend du point de vue, ne le rendent que plus beau encore. » ne mesure que 10 cm de diamètre environ, mais si on la ramenait à la taille du  du globe terrestre, ses plus grands défauts ne dépasseraient pas quelques mètres de hauteur. En comparant la masse de cette sphère avec une ruasse étalon, on peut déterminer la masse d'un atome de silicium. « Or on sait ensuite très précisément relier la constante de Planck à la masse d'un atome; pour cela on envoie un photon sur un atome et on mesure comment ce dernier est bousculé», explique Pierre (latté, spécialiste de cette question au Laboratoire Kastler Brossel, à Paris. L'irn pulsion apportée par le mouvement est en effet proportionnelle à h et le recul de l'atome proportionnel à sa masse.

«Depuis 2017, nous disposons de suffisamment d'expériences indépendantes et concordantes pour fixer une valeur définitive de la constante de Planck », détaille Estefania de Mirandes, secrétaire exécutive du Comité consultatif des unités au Bureau international des Poids et Mesures lorsqu'elle sera fixée vendredi, donc, avec une application effective le 20 mai 2019,  elle ne bougera plus. On pourra alors réaliser des étalons de masse partout dans le monde à l'aide de balances de Kibble.
Rassurez -vous cela ne changera rien à votre vie quotidienne. Le kilogramme de tomates ne bougera pas d'un iota. «On ne vous fait pas le coup de l’euro », promet Marc Imbert, directeur scientifique du laboratoire commun de métrologie LNE. Cnam, en plaisantant à moitié. «La continuité est une notion fondamentale en métrologie. Le changement de définition doit permettre de gagner en précision dans les laboratoires sans rien modifier dans la vie courante. »

Si l'urgence était moins grande, le kilogramme n'était pas la seule unité devenue «pathologique» dans le système. L'ampère, qui quantifie l'intensité électrique, était de son côté régi par une définition impossible à mettre en pratique (l'intensité nécessaire pour établir une certaine force électrique entre deux fils  infinis de section nulle...). Les rnétrologues ont décidé de fixer la charge de l'électron (qui s'exprime en coulombs), ce qui permet de définir l'ampère par ricochet, puisqu'un ampère correspond exactement au passage d'une charge électrique d'un coulomb à travers une surface donnée pendant une seconde.
Un autre problème était posé par la définition de la température, celle-ci était définie par rapport à la température du point triple de l'eau, la seule à laquelle on puisse retrouver l'eau à l'équilibre entre  ses états solide, liquide et gazeux (0,16 "C). Plus on s'éloignait de cette température, plus les mesures perdaient en précision. À tel point qu'à quelques milliers de degrés, il était impossible d'effectuer des mesures précises au degré près... 12 température sera définie en fixant la constante de Bolzmann.qui caractérise le lien existant entre énergie et température.

 Pour terminer, la mole était jusque-là  définie comme étant le nombre d'atomes contenus dans 12 grammes d'un isotope du carbone bien particulier, ce qu'on appelle aussi le nombre d'Avogadro. Or la collaboration qui a n'a  la sphère de silicitun parfaite permettant de mesurer la valeur de la constante de Planck, pour la définition du kilogramme, est en effet parvenue à cette ticcasion à déterminer très précisément le nombre d'atomes de silicium contenu dans une rolss, donnée. Comme les rapports entre les masses des atomes sont très bien connus, cela revenait aussi en pratique à déterminer le nombre d'atomes contenus dans 12 grammes de carbone. Et donc à déterminer une valeur précise de ce nombre, qui est désormais lui aussi fixe pour définir la mole. Les notions de quantité de matière et de masse seront désormais découplées. Ce qui ne plait pas forcément aux chimistes qui, en pratique, utilisent plutôt des balances.
 Les deux dernières unités fondamentales, la seconde et la candela, restent, elles, inchangées sur le fond, même si la forme de leur définition sera harmonisée. Toutes les unitésseront définies de telle sorte qu'une constante fondamentale de la physique (ou de la nature) qui leur sera en quelque sorte associée ait une valeur fixée, exprimée dans ce système d'unités.
«Le nouveau système est très satisfaisant  sur le plan intellectuel», se félicite Christian Bordé, directeur de recherche émérite au CNRS et président du Comité de métrologie de l'Académie des sciences. «C'est le rêve de Max Planck qui se réalise, un siècle plus tard. Le célèbre physicien allemand avait eu l'intuition d'un système d'unités « naturelles" qui serait tout entier basé sur des constantes physi ques universelles. La forme qu'il a prise est un peu différente de celle qu'il avait imaginée, mais sa philosophie est équivalente. »
Les plus puristes pourraient s'interroger sur la pertinence de conserver une unité tautologique comme la mole (qui revient à dire qu'une douzaine est composée de douze éléments) ou du caractère fondamental de la candela, imposée après -guerre par les lobbies de l'éclairage. « C'est avant tout une construction humaine qui est le reflet d'une longue histoire», balaye Jean Philippe UZAN, physicien à l'Institut d’astrophysique de Paris qui effectuera une présentation vendredi matin à la CGP.11 sur le rôle de la constante ¬te de Planck en. Physique. «Ces petites imperfections, si tant est qu'on puisse parler d'imperfections toit cela dépend du point de vue, ne le rendent que plus beau encore. » ne mesure que 10 cm de diamètre environ, mais si on la ramenait à la taille du globe terrestre, ses plus grands défauts ne dépasseraient pas quelques mètres de hauteur. En comparant la masse de cette sphère avec une ruasse étalon, on peut déterminer la masse d'un atome de silicium. « Or on sait ensuite très précisément relier la constante de Planck à la masse d'un atome; pour cela on envoie un photon sur un atome et on mesure comment ce dernier est bousculé», explique Pierre (latté, spécialiste de cette question au Laboratoire Kastler Brossel, à Paris. L'irn pulsion apportée par le mouvement est en effet proportionnelle à h et le recul de l'atome proportionnel à sa masse.
«Depuis 2017, nous disposons de suffisamment d'expériences indépendantes et concordantes pour fixer une valeur définitive de la constante de Planck », détaille Estefania de Mirandes, secrétaire exécutive du Comité consultatif des unités au Bureau international des Poids et Mesures lorsqu'elle sera fixée vendredi, donc, avec une application effective le 20 mai 2019,  elle ne bougera plus. On pourra alors réaliser des étalons de masse partout dans le monde à l'aide de balances de Kibble.
Rassurez-vous cela ne changera rien à votre vie quotidienne. Le kilogramme de tomates ne bougera pas d'un iota. «On ne vous fait pas le coup de l’euro », promet Marc Imbert, directeur scientifique du laboratoire commun de métrologie LNE. Cnam, en plaisantant à moitié. «La continuité est une notion fondamentale en métrologie. Le changement de définition doit permettre de gagner en précision dans les laboratoires sans rien modifier dans la vie courante. »
Si l'urgence était moins grande, le kilogramme n'était pas la seule unité devenue «pathologique» dans le système. L'ampère, qui quantifie l'intensité électrique, était de son côté régi par une définition impossible à mettre en pratique (l'intensité nécessaire pour établir une certaine force électrique entre deux fils  infinis de section nulle...). Les rnétrologues ont décidé de fixer la charge de l'électron (qui s'exprime en coulombs), ce qui permet de définir l'ampère par ricochet, puisqu'un ampère correspond exactement au passage d'une charge électrique d'un coulomb à travers une surface donnée pendant une seconde.
Un autre problème était posé par la définition de la température, celle-ci était définie par rapport à la température du point triple de l'eau, la seule à laquelle on puisse retrouver l'eau à l'équilibre entre ses états solide, liquide et gazeux (0,16 "C). Plus on s'éloignait de cette température, plus les mesures perdaient en précision. À tel point qu'à quelques milliers de degrés, il était impossible d'effectuer des mesures précises au degré près... 12 température sera définie en fixant la constante de Bolzmann.qui caractérise le lien existant entre énergie et température.
 POUr terminer, la mole était jusque- là définie comme étant le nombre d'atomes contenus dans 12 grammes d'un isotope du carbone bien particulier, ce qu'on appelle aussi le nombre d'Avogadro. Or la collaboration qui a n'a  la sphère de si licitun parfaite permettant de mesurer la valeur de la constante de Planck, pour la définition du kilogramme, est en effet par.-enue à cette ticcasion à déterminer très précisément le nombre d'atomes do silicium contenu dans une rolss, don née. Comme les rapports entre les masses des atomes sont très bien connus, cela revenait aussi en pratique à déter miner le nombre d'atomes contenus dans 12 grammes de carbone. Et donc à déterminer une valeur précise de ce nombre, qui est désormais lui aussi fixe pour définir la mole. Les notions de quantité de matière et de masse seront désormais découplées. Ce quine plait pas forcément aux chimistes qui, en pratique, utilisent plutôt des balances.


Le 26ème Congrès qui s'ouvre en début novembre 2018. "Le Figaro".