Les nouvelles définitions du Système international (SI) d’unités entrent en vigueur !
Quatre unités de mesure ont été redéfinies : le kelvin, l’ampère, la mole et le kilogramme.
Le 20 mai 2019, Journée mondiale de la métrologie, a marqué l’aboutissement de nombreuses années de travail qui permettent désormais de disposer d’un système de mesure entièrement basé sur des constantes naturelles fondamentales.
Jusque-là basée sur la masse d’un cylindre de platine et d’iridium conservé depuis 1889 au bureau des poids et mesures de Sèvres (France), connu sous le nom de Grand K, la définition internationale du kilogramme est désormais calculée sur la constante de Planck de la physique quantique. Par la même occasion, le kelvin, l’ampère et la mole seront également basés sur des constantes quantiques.
On peut prendre comme exemple le cas du kilogramme qui, avant cette date, était défini d’après la masse d’un cylindre de platine iridium conservé à Sèvres au Bureau International des Poids et Mesures. Malgré les précautions prises depuis 1889 pour conserver cet objet dans les meilleures conditions, il a été constaté qu’il avait subi des variations. La constante de Planck, constante de la physique quantique sur laquelle sont désormais basées les unités de masse, ne devrait, par définition, subir aucune variation.
Il a donc été choisi d’utiliser la constante de Planck pour la définition du kilogramme, la constante de Boltzmann pour le kelvin, la constante d’Avogadro pour la mole et enfin la charge élémentaire pour l’ampère.
Les valeurs fondamentales du Système international d’unités
Ces nouvelles définitions ont été rendues possibles grâce à des recherches approfondies menées dans le monde entier pendant de nombreuses années. Le LNE, et le réseau français de métrologie qu’il anime, a joué un rôle majeur dans ces redéfinitions. Il possède l’une des trois balances du watt au monde qui a contribué à établir la constante de Planck. Nos travaux en métrologie électrique fondamentale ont conduit au développement d’un générateur de courant quantique conforme à la nouvelle définition améliorée. Et enfin, les travaux du LCM ont permis de développer un thermomètre acoustique pour la nouvelle définition du kelvin.
Ce 20 mai 2019, la nouvelle définition mondiale du kilogramme entre en vigueur. A l’instar de l’ampère, du kelvin et de la mole, cette unité de mesure a été redéfinie le 16 novembre 2018 à la Conférence générale des poids et mesures de Versailles.
Le nouveau système de mesure internationale entre en vigueur le 20 mai 2019. Il concerne le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole. Ce nouveau dispositif a été acté en novembre 2018 à Versailles par la Conférence générale des poids et mesures ; la CGPM a été créée à la fin du 19e siècle et se réunit tous les 4 à 6 ans. A cette occasion nous vous proposons de relire l’article de Franck Daninos tiré du mensuel Sciences et Avenir, et initialement publié en 2018.
« Un changement historique ; une révolution. » Thomas Grenon, directeur du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE) à Paris, ne mâche pas ses mots pour décrire le grand bouleversement qui s’annonce dans le monde de la mesure, si essentielle pour les sciences, les activités industrielles et les échanges commerciaux. Quatre des sept unités de base du Système international ont en effet été redéfinies lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) se tenait du 13 au 16 novembre 2018 à Versailles (Yvelines).
Il s’agit du kilogramme (masse), de l’ampère (intensité électrique), du kelvin (température) et de la mole (quantité de matière) – les trois autres étant le mètre (distance), la seconde (temps) et la candela (intensité lumineuse). Ces unités étaient jusqu’alors fondées sur des éléments physiques, en particulier un étalon matériel pour le kilo (lire S. et A. n° 844, juin 2017). « Désormais, les nouvelles définitions seront toutes reliées à des constantes fondamentales, explique Thomas Grenon. Un peu sur le modèle du mètre qui est déterminé, depuis 1983, à partir de la vitesse de la lumière dans le vide », cette unité correspondant à la distance parcourue par la lumière en 1/299 792 458 de seconde. Elles seront officiellement adoptées à Versailles par la centaine de pays rattachés à la Convention du mètre, l’un des plus anciens traités diplomatiques toujours en vigueur.
Pourquoi un tel chambardement ? « L’organisation manquait de cohérence, chaque unité ayant été définie à des époques et selon des approches très différentes, répond Christophe Daussy, chercheur au Laboratoire de physique des lasers à l’université Paris-XIII. Celles qui seront redéfinies posaient du reste une série de problèmes ». Le plus pressant concernait le kilogramme, dernière unité à être encore fondée sur un objet matériel.
« Le Grand K », étalon du kilogramme
Depuis 1889, elle correspond en effet, par définition, à la masse d’un cylindre de platine iridié appelé le « Grand K », conservé comme un trésor avec six de ses copies dans un coffre ultrasécurisé du Bureau international des poids et mesures (BIPM), au pavillon de Breteuil (Sèvres, Hauts-de- Seine). Tous les systèmes de pesée lui sont raccordés d’une manière ou d’une autre, de la balance du maraîcher aux machines les plus complexes. Les processus d’étalonnage étaient laborieux et délicats à réaliser, le Grand K n’étant lui-même que très rarement manipulé de peur d’altérer le précieux étalon. Or, malgré ces précautions, il subissait la patine du temps comme n’importe quel objet. Les spécialistes se sont ainsi aperçus que la masse du Grand K avait varié de 50 microgrammes par rapport à ses copies en près de 130 ans…
De quoi plonger les métrologues dans un profond embarras, car ces masses censées ne jamais varier subissaient quand même des altérations… Avec des conséquences potentielles sur l’ensemble du Système international, puisque plusieurs « unités dérivés » dépendent elles-mêmes du kilogramme tels le newton ou le watt. Sans oublier la mole qui lui est directement associée, cette unité correspondant au nombre d’atomes contenus dans 12 grammes de carbone-12.
L’ampère posait lui aussi de sérieuses difficultés. Depuis 1948, il est défini à partir de la force mécanique exercée entre deux câbles « infiniment longs », séparés d’un mètre, où circule un courant. « Une définition très difficile à mettre en pratique », note Nadine de Courtenay, philosophe et historienne des sciences à l’université Paris-Diderot. Les professionnels de l’électricité l’ont d’ailleurs abandonné depuis trente ans ! Pour étalonner des courants, ils se réfèrent à l’ohm et au volt en utilisant les effets Hall et Josephson (voir lexique), « deux phénomènes quantiques fournissant des étalons bien plus reproductibles et maîtrisables que la réalisation de l’ampère », poursuit la chercheuse. Et que dire du kelvin qui depuis 1968 est défini comme la fraction 1/273,16 de la température du « point triple » de l’eau (soit 0,01 °C), où elle coexiste à l’état liquide, solide et gazeux ? « Cette définition n’est pas adaptée aux températures extrêmes », indique Thomas Grenon – inférieures à 20 kelvins par exemple. Elle dépend en outre de la qualité de l’échantillon, une pureté absolue étant virtuellement inatteignable…
Des grandeurs censées être parfaitement fixes
Dès les années 1990, la CGPM préconisait ainsi de réviser ces unités qui étaient toutes devenues plus ou moins « pathologiques ». Et elle recommandait de les redéfinir à partir de ce que la science connaît de plus intangible : les constantes fondamentales. « Ces grandeurs sont censées être parfaitement fixes, explique Christophe Daussy. Ainsi de la vitesse de la lumière : elle doit avoir la même valeur sur Terre et dans les plus lointaines galaxies, aujourd’hui comme il y a un million d’années ! « 
Pour le kilogramme, il s’agissait ainsi de le redéfinir à partir d’une constante de la mécanique quantique dite constante de Planck. Cette grandeur correspond en effet au produit d’une énergie par un temps. Or l’énergie est reliée elle-même à la masse par la formule d’Einstein E = mc2. On peut ainsi, mathématiquement, raccorder le kilogramme à la constante de Planck pour obtenir une unité de masse immatérielle et infiniment stable. Même chose pour le kelvin, en le rattachant à la constante de Boltzmann (liée à l’agitation thermique) ; pour l’ampère, en l’associant à la charge de l’électron ; et pour la mole, très utilisée en chimie notamment, conjuguée à la constante d’Avogadro.
CONSTANTES Ces quantités mesurables, dont les valeurs sont considérées comme parfaitement fixes, «paramétrisent» les propriétés de la matière et les lois de la physique.
EFFET JOSEPHSON Ce phénomène quantique se traduit par l’apparition d’une tension entre deux matériaux supraconducteurs séparés par une couche très fine de matériau isolant.
EFFET HALL QUANTIQUE Il se manifeste quand un matériau extrêmement fin est plongé dans un champ magnétique à une température proche du zéro absolu. La résistance électrique prend alors des valeurs particulières qui ne dépendent plus des propriétés du matériau.
Deux grandes conditions devaient toutefois être remplies pour assurer la continuité des mesures, un peu comme lorsqu’un pays change de monnaie. Première nécessité : mesurer ces constantes en les raccordant expérimentalement aux anciennes définitions. Les grands laboratoires de métrologie ont développé à cette fin des dispositifs aussi complexes qu’ingénieux, l’un des plus sophistiqués étant la « balance du watt ». Pour faire simple, elle permet d’équilibrer des masses – telles les copies du Grand K – avec des forces électromagnétiques et de déterminer la constante de Planck en utilisant les effets Hall et Josephson. Deuxième impératif : fixer une fois pour toutes la valeur des constantes après les avoir mesurées avec une incertitude au moins aussi bonne que celle des définitions en vigueur. Ce qui correspondait, dans le cas de la constante de Planck, à déterminer celle-ci avec une marge d’erreur qui ne dépasse pas 50 pour un milliard… Une gageure !
Un tournant pour l’humanité : redéfinir le système de mesure du monde
Les nouvelles définitions impactent quatre des sept unités de base du SI : le kilogramme, l’ampère, le kelvin et la mole ; et toutes les unités qui en sont dérivées, telles que le volt, l’ohm et le joule.
Le kilogramme — sera défini par la constante de Planck ( h )
L’ ampère — sera défini par la charge électrique élémentaire ( e )
Le kelvin — sera défini par la constante de Boltzmann ( k )
La taupe — sera définie par la constante d’Avogadro ( N A )
Ce n’est qu’en 2017 que toutes les exigences fixées ont pu enfin être satisfaites. Et le LNE a joué un rôle majeur dans cet effort qui aura duré près de trente ans. « Avec les équipes canadiennes et américaines, nous faisons partie des trois organisations à avoir pu mesurer, avec la balance du watt, la constante de Planck avec la précision requise », se félicite Thomas Grenon. Pour la constante de Boltzmann, le laboratoire de métrologie du LNE et du Conservatoire national des arts et métiers a même décroché le record mondial de la plus faible incertitude (0,57 millionième) jamais obtenue !
Si le nouveau système apparaît aujourd’hui comme le meilleur dont on puisse se doter, ce n’est pas le mot de la fin. Car la quête de la précision se poursuit. Et les métrologues travaillent déjà à la prochaine grande étape concernant la mesure du temps. Grâce à des dispositifs optiques détrônant les horloges atomiques actuelles, ils espèrent en effet redéfinir la seconde avec une précision d’un milliardième de milliardième, soit cent fois plus qu’aujourd’hui. Rendez-vous donc d’ici dix à quinze ans.
Fini le point triple de l’eau pour le Kelvin
Avant la réforme, le kelvin, l’unité de température en thermodynamique, était déterminé par rapport au point triple de l’eau – lorsqu’elle coexiste à l’état solide, liquide et gazeux. Une définition qui dépendait de la qualité de l’eau… C’est la constante de Boltzmann qui le définira désormais.
L’ampère, mesurant l’intensité du courant électrique, était caractérisé par la force mécanique entre deux fils infiniment longs séparés d’un mètre. On le définira en fonction de la charge élémentaire. Quant à la mole, l’unité de quantité de matière, on la définissait en fonction de la masse, et donc du kilogramme… La CGPM a choisi la constante d’Avogadro (NA) comme nouvelle référence.
À propos de l’IS
Le SI a sept unités de « base » – telles que la seconde, le mètre et le kilogramme – à partir desquelles toutes les autres unités de mesure, telles que le watt et le volt, peuvent être dérivées. Les unités de base définissent les mesures de temps, de distance, de masse, de courant électrique, de température, de quantité d’une substance et d’intensité lumineuse. Tous sont maintenant basés sur des constantes fondamentales de la nature. Mais jusqu’au 20 mai 2019, plusieurs – telles que les unités de masse et de température – étaient encore directement liées d’une manière ou d’une autre à des objets physiques ou à une configuration artificielle sur Terre, comme une cellule d’eau en verre scellée.
Pendant de nombreuses années, les scientifiques avaient soigneusement mesuré les constantes de la nature en fonction des anciennes définitions du SI. Mais cela conduisait parfois à des situations étranges.
Par exemple, la constante de Planck, grandeur qui relie l’énergie d’une particule lumineuse à sa fréquence, avait été mesurée en laboratoire à l’aide d’un kilogramme de masse, calibré par rapport à l’IPK situé près de Paris. L’IPK est un objet physique, sujet à l’usure et susceptible de gagner ou de perdre de la masse à tout moment. Pourtant, dans le SI précédent, toute mesure de l’IPK devait être exactement d’un kilogramme ; il n’y avait aucune incertitude scientifique dans la mesure, car l’IPK définissait un kilogramme. D’autre part, une « constante » fondamentale de la nature, telle que la constante de Planck – qui, selon notre meilleure connaissance des lois régissant l’univers, est invariable dans le temps et dans l’espace – a toujours une certaine incertitude quant à sa valeur en raison de la erreurs habituelles qui s’accumulent dans une mesure expérimentale.
À l’approche du 20 mai 2019, les scientifiques étaient prêts à renverser la vapeur après des décennies consacrées à effectuer des mesures de plus en plus précises et exactes des constantes fondamentales à l’aide des unités de base SI. Ils prévoyaient d’utiliser des valeurs fixes exactes pour les constantes – telles que Planck et Boltzmann – pour définir les sept unités de base SI.
Ce «tournant» est l’aboutissement de l’idée des Lumières du XVIIIe siècle selon laquelle les lois naturelles qui régissent l’univers – que nous les connaissions complètement ou non – sont constantes et peuvent fournir une base de mesure beaucoup plus fiable que les objets physiques que nous pouvons voir et toucher.
L’avenir
Le monde a atteint un point où les sept unités de base SI redéfinies peuvent maintenant être transformées de la définition à la réalité pratique sans avoir besoin d’aucun type d’artefact tel que Le Grand K.
Le SI révisé redéfinit le kilogramme en utilisant une valeur fixe pour la constante de Planck et en utilisant la définition du mètre et de la seconde, qui sont déjà basées sur des constantes.
Ce seul changement à la définition du kilogramme démocratise la mesure de précision en permettant de faire une science de mesure plus précise et plus précise partout dans le monde (et même dans l’univers), sans avoir besoin d’étalonnage sur un artefact spécifique. Avec ce système, si ET ou Alf venaient frapper à la porte, nous serions capables de communiquer les unités de base aux résidents d’autres planètes dans d’autres galaxies, qui pourraient les utiliser avec la même précision que nous.
L’effet immédiat de ce changement ne sera pas remarqué par les consommateurs sur le marché. Un kilogramme de dinde tranchée au comptoir de charcuterie sera toujours la même quantité de dinde en ce qui concerne votre balance d’épicerie.
Le plus grand changement attendu concernera probablement les fabricants d’instruments scientifiques, dont certains devront peut-être adapter leurs produits dans les années à venir pour s’adapter à la méthode SI révisée afin de mieux déterminer les mesures de grandeurs électriques telles que l’ampère, le volt et l’ohm.
Un autre avantage clé du SI redéfini est une évolutivité améliorée pour les mesures. Lorsque vous utilisez des objets physiques pour mesurer des choses, la précision diminue à des tailles beaucoup plus petites ou plus grandes que votre standard. Une société pharmaceutique, par exemple, peut avoir besoin de mesurer des produits chimiques pour la recherche de nouveaux médicaments en quantités un million de fois inférieures à un kilogramme standard. La nouvelle définition du kilogramme permettra de bien meilleures mesures de ces masses milligrammes et microgrammes.
Le 20 mai 2019 est la date de lancement officielle du SI révisé. Désormais, toutes les mesures de masse – qu’il s’agisse d’un cil ou d’un avion – pourraient, si elles étaient mesurées avec la même technologie, être tout aussi exactes et précises.
Quelles nouvelles découvertes le SI révisé permettra-t-il ? L’ajout de quelques décimales supplémentaires à la fin de mesures déjà extrêmement précises peut-il faire la différence ?
Les réponses ? C’est difficile à savoir mais c’est une valeur sûre. Chaque fois que l’humanité a augmenté l’exactitude et la précision des mesures, de meilleures technologies en ont résulté.
Si l’histoire est une indication de l’avenir, le SI révisé est susceptible d’aider à résoudre un large éventail de mystères. Nous n’avons qu’à faire le changement et regarder pendant que l’innovation se déroule.
https://www.usinenouvelle.com/article/le-kilogramme-nouveau-est-arrive.N1817342
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181116115556.htm
https://www.lne.fr/en/news/new-definition-si-effect
https://www.nist.gov/si-redefinition