Ci-dessus : Franck Bielsa travaille sur la balance de Kibble ouverte, l’outil indispensable à la réalisation de la nouvelle définition du kilogramme. © DR
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La quête du kilo quantique

Le 20 mai, le kilogramme abandonne sa définition matérielle, vieille de cent trente ans, pour une nouvelle définition fondée sur la physique quantique. Une révolution pilotée depuis Sèvres.

La mesure étant le fondement de toutes les activités de la société des hommes, l’idéal universel de la Révolution française avait conduit à bouleverser l’état antérieur – des poids et des mesures établis souvent sur des références anthropomorphiques, comme la toise ou le pied, qui changeaient d’une ville à une autre – pour viser un système d’unités à vocation éternelle et internationale, qui serait commun « à tous les temps, à tous les peuples ». Avec le besoin grandissant de mesures identiques d’un pays à l’autre, la signature en 1875 de la Convention du Mètre créait dans cet esprit une instance internationale, le Bureau international des poids et mesures (BIPM), dont les bâtiments surplombent la Seine depuis les coteaux de Sèvres. Dirigée depuis 2013 par le physicien anglais Martin J.T. Milton, l’organisation intergouvernementale est le centre de collaboration scientifique, technique et de coordination du système mondial de mesure. Le langage populaire ne retient souvent du Pavillon de Breteuil, dernier vestige du Trianon de Saint-Cloud, que le prototype international du kilogramme et le mètre étalon, même si cela fait longtemps que la barre fabriquée à partir de la longueur d’une fraction du méridien terrestre ne fait plus office de définition officielle de l’unité de longueur. Laquelle fonde en 1795 le système métrique décimal, l’un des grands accomplissements de la Révolution française : longueur, superficie, volume, jusqu’au kilogramme, poids – comme on disait alors – d’un décimètre cube d’eau à 4 °C. Organe plénier du BIPM, la Conférence générale des poids et mesure (CGPM), qui entérine à chaque réunion les décisions en la matière, n’aura de cesse de faire évoluer ces unités au gré des découvertes de la science. En 1960, la CGPM adoptait à sa 11e réunion le nom de Système international d’unités (SI) qui reposait alors sur six unités de base – une 7e (la mole) a été intégrée en 1971. Avec un principe intangible : même si l’on change tout, rien ne de doit changer ! Pas question qu’une réforme, aussi essentielle soit-elle pour la stabilité, la pérennité ou la précision du système, remette en question la valeur du kilogramme, il en va de la sécurité des affaires humaines. L’exemple du kilogramme n’étant pas pris au hasard puisqu’il était le dernier, dans cette architecture de plus en plus solide à mesure qu’elle se dématérialisait, à jouer le rôle du vilain petit canard…

Jean-Philippe Uzan fut en novembre l’un des conférenciers d’honneur de la 26e Conférence générale des poids et mesures, désormais historique.©CD92/Olivier Ravoire

Vers une réalité dématérialisée

Depuis 1889, la définition du kilogramme, unité de masse, était demeurée la même : « Il est égal à la masse du prototype international du kilogramme ». Soit un petit cylindre de platine iridié enfermé sous trois cloches de verre et à triple tour dans un coffre du BIPM ! Avec l’impression insidieuse que le serpent se mordait la queue. Le physicien américain Richard S. Davis, chercheur honoraire au BIPM après avoir été pendant dix-sept ans responsable de la section des masses, connaît bien la faiblesse de ce maillon du SI et la nécessité de le redéfinir : « Il reposait sur un objet unique qu’on ne sortait presque jamais de crainte de l’endommager et d’en modifier la masse. Or notre siècle a vu la physique énormément changer, ouvrant d’immenses possibilités pour la science et l’industrie. C’est ainsi qu’il a été décidé de recourir à une constante de la nature pour définir le kilogramme. Ce qui ouvre également des perspectives intéressantes pour la mesure des petites masses, entre le micro- et le macroscopique. Mais c’est en effet beaucoup plus difficile à comprendre que la masse d’un objet que je peux tenir dans la main… »

La nature ne donne pas les unités, elle ne donne que des relations entre des grandeurs.

Une « constante de la nature » donc, pour définir le kilogramme nouveau. Et plus précisément : la constante de Planck. Que le lecteur se rassure : ce n’est pas dans ces pages que le journaliste aussi désarmé que lui en la matière essaiera d’expliquer ce qu’est la constante fondamentale de la physique quantique. « D’autant que même les gens qui font de la mécanique quantique, comme Richard Feynman qui a quand même eu le prix Nobel, déclarent que personne ne comprend vraiment cette théorie… », nous rassure Jean-Philippe Uzan, physicien théoricien à l’Institut d’astrophysique de Paris et directeur de recherche au CNRS, qui fut en novembre dernier l’un des quatre conférenciers d’honneur à la 26e CGPM, laquelle valida le changement, entre autres, de la définition du kilogramme. « Les unités du SI n’étant plus reliées à des objets matériels, poursuit-il, on a réalisé le “à tous les peuples” des scientifiques du XVIIIe siècle, puisque les définitions sont basées sur des lois fondamentales de la nature qui sont les mêmes ici, sur la Lune, dans une autre galaxie. » Physicienne au BIPM et secrétaire exécutive du Comité consultatif des unités (CCU), le forum international où les experts débattent du SI, Estefanía de Mirandés précise : « Dans le SI, il existe sept unités dites de base : le mètre, le kilogramme, la seconde, l’ampère, le kelvin, la mole et la candela.  À chacune est associée une constante, c’est-à-dire une relation donnée par la nature et qui ne varie pas dans le temps. La vitesse de la lumière en est une, c’est la vitesse maximale selon la théorie de la relativité. La constante de Planck serait, elle, plutôt représentative d’une quantité minimum d’énergie, selon la théorie quantique. » 

Richard S. Davis, responsable pendant dix-sept ans de la section des masses, devant les portraits de figures emblématiques du BIPM.©CD92/Olivier Ravoire

Balance ton watt

Le 20 mai, ce n’est pas seulement le kilogramme qui change de définition, trois autres unités se lient de plus en plus étroitement avec les « paramètres fondamentaux » de la nature : l’ampère pour l’intensité du courant électrique, le kelvin pour la température, et la mole – la petite dernière – pour la quantité de matière. Toutes font désormais référence à des constantes. Pour le kilogramme, il a fallu s’affranchir des balances ordinaires qui ne sont que des comparateurs de masse. « On utilise une balance du watt, qui permet de comparer une puissance mécanique à une puissance électrique. » Expliqué par la Chinoise Hao Fang et le Toulousain Franck Bielsa, les deux physiciens du BIPM chargés de domestiquer le monstre, le principe en devient presque simple : « Imaginez une balance électronique de cuisine. Pour l’étalonner, on pose un kilo dessus, on ajuste la vis de réglage, et on peut après peser ce qu’on veut. Avec la balance du watt, on n’a plus besoin de poser le kilo auparavant, on va directement aller mesurer des grandeurs électriques et en déduire la masse de ce que l’on pèse. » La balance du watt, rebaptisée balance de Kibble en hommage au physicien qui en a eu l’idée dans les années soixante-dix, serait une sorte de Terraillon de l’absolu… Ingénieur physicien, Maguelonne Chambon est la directrice de la recherche scientifique et technologique du Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE), dont une partie des activités s’effectue à Trappes, dans les Yvelines. L’un des rôles du LNE est de piloter la métrologie – la science de la mesure – française et donc d’assurer, en collaboration avec le BIPM, le « raccordement » des étalons et leur étalonnage : « Le métrologue essaie toujours de s’affranchir de ce qui ne lui va pas… L’outil, le matériau, il trouve toujours un moyen pour éliminer les effets qu’il ne connaît pas ou qu’il ne parvient pas à quantifier. Or le raccordement, par comparaison, du kilogramme, ne serait-ce que jusqu’au gramme, est une chaîne très longue à mettre en œuvre, où l’incertitude augmente très vite. La nouvelle définition aura des avantages. » L’incertitude ? « On ne parle jamais de précision en métrologie parce que cela supposerait l’exactitude, qui n’existe pas. Pierre Giacomo, qui fut directeur du BIPM, avait une formule : quand je dis que j’ai un kilo de pommes, cela paraît précis, mais c’est inexact ; si je dis que j’ai un kilo de pommes plus ou moins dix grammes, cela paraît imprécis, mais c’est exact ! » Le LNE est l’un des très rares laboratoires au monde, avec ceux du Canada et des Etats-Unis, dont la balance de Kibble atteint l’incertitude requise de quelque 10−8, c’est-à-dire 8 chiffres après la virgule…

Estefanía de Mirandés dans son laboratoire où sont conservés quelques étalons du kilogramme, sous vide et sous atmosphère contrôlée.©CD92/Olivier Ravoire

Au-delà de la virtuosité scientifique et de la gouvernance exemplaire des institutions internationales en l’espèce, la révolution du kilogramme démontre l’importance d’une recherche fondamentale, exploratoire.  « On oublie que cette recherche a souvent mené aux grandes révolutions qui, ensuite, ont eu des applications inattendues et surtout qui ne pouvaient pas être anticipées, insiste Jean-Philippe Uzan. Une grande partie de notre technologie actuelle repose sur des idées de scientifiques qui s’intéressaient par exemple à comprendre pourquoi la matière est stable. Allez donc convaincre un comité de financement de l’urgence d’une telle recherche sans pouvoir entrevoir la moindre application à court terme ! Ces idées ont pourtant changé le monde. Une société a aussi besoin d’investir à perte sur le court terme, car il y aura des surprises et cela engage une dynamique sur le long terme. Sinon, la recherche devient purement technique et prévisible : aussi brillante soit-elle, j’ai peur que cela manque de souffle et aussi de sens… » 

Didier Lamare

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