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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.
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.
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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".
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