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Système international de mesures : Le kilogramme entre dans le champ quantique

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Dans la perspective d'un changement du Système international d'unités en 2018, des chercheurs américains ont précisé la valeur de l'unité « kilogramme » en fonction d'une constante fondamentale de la physique quantique.

Système international d'unités : Le kilogramme entre dans le champ quantique

 

 

Le 03/07/2017

 

Un pari sur la valeur de la constante de Planck

Jusque-là, l'unité "kilogramme", cette quantité abstraite permettant de mesurer la masse d'un objet, était très concrètement matérialisée par un kilo-étalon, un cylindre en platine et iridium enfermé dans une chambre à vide du Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Paris et supposé peser exactement... 1 kg.

S'il y a un an des chercheurs russes et américains avaient amélioré la précision de cette unité en décomptant le nombre d'atomes contenus dans le cylindre, aujourd'hui, une nouvelle évaluation a été effectuée par des chercheurs de l'Institut américain des normes et de la technologie, le NIST.

Particularité : sa valeur a été déduite de la mesure... d'une constante fondamentale de la physique issue de la théorie quantique, la constante de Planck (notée "h").

 

Détacher le « kilo » de tout ancrage matériel

En effet, c'est en comparant la masse du kilo-étalon à la constante h que les chercheurs ont pu préciser sa valeur exacte à 13.10^-9 près (13 milliardièmes). Ce à l'aide de balances électromagnétiques, dites balances de Kibble, de plus de 10 000 mesures effectuées entre décembre 2015 et avril 2017, et surtout d'un arsenal théorique plongeant dans la physique quantique.

Et la manip est tout sauf anecdotique ! Alors que se profile une refonte du système international de mesures en 2018, le but est de détacher la valeur « 1 kilo » de ce cylindre enfermé à Paris pour la lier à la constante de Planck, afin qu'elle hérite de son universalité, stabilité et constance.

 

Mesurer la masse en fonction de la constante de Planck

Car h, entité issue des équations de la Mécanique quantique, est absolument invariable et mesurable partout - non seulement à Paris - du moment qu'on dispose d'un appareillage de physique quantique de haute technologie.

Comme h se mesure notamment en kilogrammes - sa valeur est de 6,626069934 x 10^−34 kg∙m²/s (kilogrammes fois mètre au carré par seconde) - , l'idée est d'inverser ce rapport et de pouvoir jauger la masse d'un objet physique en fonction de h.

 

Le kilo mais aussi le joule, le watt, le mètre...

Certes, une unité de mesure est une pure convention humaine (je décide d'appeler "kilo" ce poids particulier, et je mesure tous les poids en fonction de celui-ci), mais son ancrage dans les lois fondamentales est une assurance contre toutes les variations que le kilo-étalon peut subir en ce bas monde.

La définition de la masse via h est ainsi essentielle pour la recherche fondamentale, qui nécessite des de hauts niveaux de précision et de stabilité. Cela vaut pour le kilo mais aussi pour le joule, le watt, le mètre, le degré de température, la conductivité, le magnétisme...

 

Un enjeu scientifique, technologique et commercial

De fait toutes ces unités de mesure ont déjà subi ou vont prochainement subir le même type de rattachement aux constantes fondamentales. Car c'est un enjeu de société : nos technologies s'appuient de plus en plus sur des phénomènes fondamentaux et ne peuvent donc se passer d'étalons de mesure fiables et précises.

L'adaptation du système international de mesures, hérité du XIXe siècle, est donc un enjeu scientifique, technique et commercial.

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