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Le kg est mort, vive le kg ! Tout comprendre au changement de définition des unités de mesure

Marion Garreau

Publié le

Des experts internationaux réunis du 13 au 16 novembre à Versailles (Yvelines) devraient voter la redéfinition de quatre unités de mesure. Le kilogramme, notamment, ne devrait plus être défini selon le "grand K" mais d'après une constante de la physique quantique. Pourquoi ce changement ? Comment va-t-il s’opérer ? Avec quelles conséquences ? Décryptage.

Le kg est mort, vive le kg ! Tout comprendre au changement de définition des unités de mesure
Fini le grand K, le kilogramme sera désormais fondé sur la constante de Planck de la mécanique quantique.
© Fotolia

La métrologie s’apprête à vivre une révolution. Réunie du 13 au 16 novembre à Versailles (Yvelines), la 26e Conférence générale des poids et mesures devrait fixer une nouvelle définition pour quatre unités de mesure : le kilogramme, l’Ampère, le Kelvin et la mole. Un changement majeur alors que le kilogramme, par exemple, n’avait pas vu sa définition évoluer depuis 130 ans. Explications.

Pour gagner en précision...

Le système international (SI) d’unités a été adopté lors de la Convention du mètre, un traité signé en 1875 par 17 Etats (58 aujourd’hui) qui souhaitaient adopter un système universel d’unités de mesure afin de faciliter les échanges internationaux. Si les experts entendent aujourd’hui redéfinir quatre des sept unités de base qu’il comprend, c’est pour gagner en précision.

"Le souci reste le même depuis l’adoption de ce traité : s’accorder sur des définitions partageables à tout moment et par tous, explique Thomas Grenon, directeur général du Laboratoire national de métrologie et d'essai (LNE). Or, aujourd’hui, les définitions du kilogramme, de l’Ampère, de la mole et du Kelvin ne sont pas satisfaisantes car soit elles entraînent des incertitudes soit elles sont peu commodes à mettre en pratique. L’objectif est donc de les redéfinir en les basant sur des constantes fondamentales de la nature, extrêmement stables."

Pour comprendre ce changement, partons des définitions actuelles. Et démarrons avec le kilogramme, la dernière unité définie selon un artefact physique. Aujourd’hui, ce qui définit un kilogramme est une masse de la taille d’une balle de golf, faite de platine et d’iridium, et conservée sous trois cloches de verre dans un coffre-fort au sous-sol du Bureau international des poids et mesures (BIPM), dans le parc de Saint-Cloud à Paris.

... le "grand K" va prendre sa retraite ...

Ce prototype international du kilogramme, appelé aussi "grand K", est depuis 1883 la valeur de référence du kilogramme. C'est à partir de cet objet qu'ont été créés des étalons nationaux de référence et une multitude d’autres prototypes utilisés pour étalonner toutes les balances du monde, de celles des primeurs à celles des laboratoires scientifiques et des usines.

Mais cette définition pose un double problème. "Dès que l’on s’éloigne d'un kilogramme et que l'on cherche à mesurer des masses beaucoup plus petites ou plus grandes, comme des milligrammes, nous devons quand même nous référer au kilogramme et ôter ou ajouter de la masse. Or ces opérations créent des incertitudes de mesure, explique Thomas Grenon. L’autre problème est que nous avons plusieurs fois sorti le "grand K" pour le comparer aux étalons nationaux et nous avons vu des variations de 50 microgrammes en une décennie. Or aujourd’hui, vu les besoins de précision en science ou dans l’industrie notamment, nous ne pouvons pas nous satisfaire d’une valeur de référence peu stable."

D’où la nouvelle définition qui devrait être adoptée : le kilogramme sera défini par rapport à une formule mathématique basée sur la valeur de la constante de Planck, établie en 1900 comme le produit d'une énergie par un temps, par le physicien Max Planck. "Dématérialiser les unités de mesure pour les rapporter à des constantes fondamentales de la nature est une tendance scientifique démarrée depuis un moment déjà, fait valoir Thomas Gernon. C’est ce qui avait été fait en 1983 en dématérialisant le mètre pour le définir non plus selon un étalon mais selon la vitesse de la lumière dans le vide."

... et trois nouvelles constantes vont entrer dans la métrologie

Et les trois autres unités de mesure, pourquoi manquaient-elles de précision ? L’Ampère, qui mesure l’intensité du courant électrique, est aujourd’hui défini à partir de la force mécanique s’exerçant entre deux fils séparés d’un mètre dans lesquels circule un courant électrique. Une définition certes précise en théorie ... mais difficile à mettre en pratique sans incertitude de mesure !

Le Kelvin, lui, est défini par une propriété intrinsèque de la matière : le point triple de l’eau. "Comme pour le kilogramme, cette définition a pour référence un seul point donc, dès que l’on s’éloigne de ce point, on multiplie les incertitudes de mesure, souligne Thomas Grenon. La deuxième difficulté est que cette définition a pour référence l’eau, qui n’est jamais totalement pure et dont la composition isotopique peut varier." Quant à la mole, l’unité de quantité de matière, sa définition est basée en partie sur celle de la masse, et donc du kilogramme.

Un changement préparé depuis 30 ans ...

Face à toutes ces limites, la Conférence générale des poids et mesures devrait donc voter pour redéfinir ces trois unités selon trois constantes : le Kelvin sera redéfini à partir de la constante de Boltzmann, liée à la mesure de l’agitation thermique des constituants fondamentaux d’un corps ; l’Ampère sera relié à la charge élémentaire ; la mole sera, quant à elle, définie directement en fixant la constante d’Avogadro (NA).

Le vote de la Conférence générale des poids et mesures, attendu vendredi 16 novembre, devrait déboucher sur une entrée en vigueur des nouvelles définitions en mai 2019. Concrètement, cela signifie-t-il que toutes nos balances seront bonnes à mettre à la poubelle en mai prochain ? Non. Si la manière de définir un kilogramme va changer, le mot renverra toujours à la même masse. "Il a fallu 30 ans de travaux pour fixer la valeur de la constante de Planck à une valeur équivalente à notre étalon actuel", pointe Thomas Grenon. Car l’enjeu est bien de réduire les incertitudes de mesure, pas de modifier la valeur des unités.

... qui ouvre la voie à des innovations

Si à l’instant t aucun changement majeur n'est à attendre, il est bien permis d’imaginer des bouleversements dans les prochaines années. "Des révolutions sont à venir, c’est sûr, s’enthousiasme Thomas Grenon. Quand nous avons dématérialisé le mètre, nous n’imaginions pas que ce changement rendrait possible la création, des années plus tard, du GPS, une innovation marquante." Les premiers à ressentir les changements seront bien sûr les métrologues.

"Ce changement de définition va révolutionner la manière de peser et de mesurer. Demain, nous pouvons imaginer que les métrologues s’équipent de multimètres quantiques capables de s’étalonner tout seuls", anticipe le directeur du LNE. Or la métrologie est l’une des clés de l’innovation industrielle. "Pour fabriquer un produit nouveau et industrialiser sa production, il faut caractériser les matériaux et le processus de fabrication afin de le rendre reproductible", rappelle Thomas Grenon.

Et de citer quelques champs d’application possible : "En santé par exemple, mieux mesurer les faibles masses pourrait permettre des progrès dans les systèmes d’injection de microquantités de fluide. La mesure de l’électricité va également gagner en précision, ce qui pourrait ouvrir la voie à de nouveaux développements en nano-électronique et dans les ordinateurs quantiques." Si, en mai 2019, vous garderez votre balance toujours aussi (peu) fiable, qui sait à quoi ressembleront les balances dans cinquante ans ?

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