Quarante pieds sous terre à Gaithersburg, dans le Maryland, dans un laboratoire blanc brillant qui nécessite trois clés distinctes pour entrer, les États-Unis stockent une précieuse collection de petits cylindres métalliques brillants qui définissent littéralement la masse de tout dans ce pays.

Ils sont beaux, avec des finitions en miroir, et je dois résister à l’envie de les toucher. Si je les touchais, je pourrais les contaminer avec de l’huile de ma peau et potentiellement augmenter leur poids. Patrick Abbott, le ”gardien du kilogramme » ici au National Institutes of Standards and Technology (NIST), me dit que ce serait très mauvais.

Actuellement, le kilogramme a une définition très simple : c’est la masse d’un morceau d’alliage platine-iridium qui est logée au Bureau International des Poids et mesures à Sèvres, en France, depuis 1889. C’est ce qu’on appelle le Kilogramme Prototype International (alias. Big K, ou Le Grand K), et il a de nombreux exemplaires dans le monde entier — dont sept au NIST à Gaithersburg — qui sont utilisés pour calibrer les balances et s’assurer que le monde entier est sur un système de mesure unique.

Voici l’une des copies au NIST, appelée K4, forgée à partir du même morceau de métal à partir duquel Big K a été créé au 19ème siècle.

Regardez-le bien. Parce que très bientôt, cette norme vieille de 129 ans pour le kilogramme va changer.

Vendredi, des scientifiques du monde entier se sont réunis à la Conférence Générale des Poids et mesures à Versailles, en France, et ont voté pour modifier la définition du kilogramme, le liant à une constante universelle dans la nature. Le changement entrera en vigueur le 20 mai 2019.

Une raison importante du changement est que Big K n’est pas constant. Il a perdu environ 50 microgrammes (environ la masse d’un cil) depuis sa création. Mais, frustrant, lorsque Big K perd de la masse, c’est toujours exactement un kilogramme, selon la définition actuelle.

Lorsque Big K change, tout le reste doit s’ajuster. Ou pire encore: Si Big K était volé, le système de mesure de masse de notre monde serait plongé dans le chaos.

Avec le vote de vendredi, les meilleurs scientifiques mondiaux de la mesure ont choisi d’apposer le kilogramme sur la constante de Planck, un concept fondamental de la mécanique quantique qui ne peut jamais, jamais changer — ici sur Terre ou dans les profondeurs de l’univers.

C’est plus qu’une victoire scientifique. C’est aussi philosophique, comme je l’ai appris des scientifiques du NIST qui travaillent depuis des années sur la redéfinition et appellent ce moment le moment le plus excitant de toute leur carrière.

Avec la nouvelle définition, la Conférence Générale des Poids et Mesures complète le rêve initial du système métrique, qui a été adopté au milieu de la Révolution française. Le système métrique – qui a évolué vers le Système International d’unités, ou SI — a été conçu pour être « pour tous les temps, pour tous les peuples. »

” Les objets changent toujours « , explique Stephan Schlamminger, un scientifique du NIST impliqué dans la redéfinition. Avec la nouvelle définition, dit-il, ”nous passons d’un objet « sur Terre » à ce qui est dans les cieux.”

Et c’est quelque chose qui vaut la peine d’être célébré. Dans un monde où tout semble toujours en mouvement, ces scientifiques se sont désormais assurés que le kilogramme ne changera jamais.

Un bref historique du kilogramme

Comment savez-vous ce que pèse quelque chose? Je sais, il y a une réponse évidente: Vous le mettez sur une échelle.

Mais quand vous allez à l’épicerie et que vous pesez un paquet de pommes, comment cette balance sait-elle à quoi ressemble une livre de fruits?

Pour que les mesures de masse aient un sens, nous avons besoin d’un point de comparaison fixe. Ces pommes doivent peser plus ou moins que quelque chose. Pour éviter le chaos et permettre à notre économie de fonctionner, cette chose doit être universellement reconnue.

La balance de votre épicerie a été calibrée avec un poids qui a été calibré avec un poids qui a été calibré avec un poids, et ainsi de suite. Et tous ces étalonnages remontent ici, dans les entrailles du NIST. Des poids et des mesures cohérents comptent plus que pour l’épicerie: Imaginez si Boeing ne pouvait pas déterminer précisément ce que pèse un avion, ou si l’industrie pharmaceutique ne pouvait pas déterminer la masse exacte d’une petite dose de médicament potentiellement mortelle.

Aux États-Unis, nous utilisons toujours des unités impériales : livres et onces. Mais en réalité, toutes nos mesures sont dérivées du Système international d’unités, ou SI, qui utilise les mètres et les kilogrammes comme unités fondamentales de longueur et de masse.

En matière de masse aux États-Unis, tout remonte à ces cylindres en forme de rondelle, qui sont usinés avec précision pour peser 1 kilogramme. Officiellement, aux États-Unis, 1 livre est définie comme 0,45359237 kilogrammes. Un pied est défini comme 0,3048 mètre.

Mais le système n’était pas toujours aussi ordonné. Avant la Révolution française et l’invention du système métrique, les systèmes de poids et de mesures du monde entier étaient un désordre chaotique et indiscipliné.

« Imaginez un monde où chaque fois que vous voyagiez, vous deviez utiliser différentes conversions pour les mesures, comme nous le faisons pour la monnaie », explique Madhvi Ramani de la BBC. « C’était le cas avant la Révolution française à la fin du 18ème siècle, où les poids et les mesures variaient non seulement d’une nation à l’autre, mais aussi à l’intérieur des nations. »

La Révolution française était sur le point de renverser de vieilles hiérarchies archaïques et chaotiques laissées de l’époque féodale et de refonder la société avec des principes égalitaires à l’esprit.

Inspirés par la révolution, les scientifiques de l’époque voulaient repartir à zéro sur un nouveau système de mesure cohérent, en basant les unités non pas sur des mandats arbitraires des rois, mais sur la nature. L’objectif était de créer un système de mesure « pour tous les temps, pour toutes les personnes. »

Ainsi, lorsque le Bureau International des Poids et mesures a été fondé en France à la fin des années 1800, le mètre — l’unité de longueur standard — a été créé pour représenter le dix millionième de la distance entre le Pôle Nord et l’équateur. Le gramme s’inspire de la densité de l’eau : Il est à peu près égal à la masse de 1 centimètre cube d’eau maintenue à 4°C.

Pour diffuser ces nouvelles unités — pour que tout le monde les comprenne — les inventeurs du système métrique ont décidé de créer des objets physiques pour les incarner et les définir. Ils ont fabriqué une barre de métal d’exactement 1 mètre de long. Ils ont créé Big K pour représenter la masse de 1 kilogramme, soit 1 000 grammes.

Depuis le 19ème siècle, toutes les reliques physiques de l’ancien système métrique ont été remplacées par des mesures apposées sur des forces constantes de la nature. Le compteur a été défini à l’origine comme une proportion de la taille de la Terre. Mais même la forme du monde n’est pas permanente. La Terre n’est peut-être même pas permanente. Ainsi, aujourd’hui, le compteur est défini par la vitesse de la lumière. Le second est fixé au mouvement des atomes de l’élément césium.

Seul le kilogramme est encore défini par un objet physique, pour l’instant.

Alors quelle est cette nouvelle définition du kilogramme ? Préparez-vous, car c’est un peu doozy.

La science de la redéfinition du kilogramme en termes de constante de Planck, expliquée

Le vote de vendredi à la Conférence Générale des Poids et mesures a été adopté à l’unanimité. Mais les changements ne prendront effet qu’en mai 2019. Lorsque le changement survient, voici comment le kilogramme sera défini dans le Système international d’unités:

Le kilogramme, symbole kg, est l’unité de masse SI. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de la constante de Planck h à 6,626 070 15 × 10-34 lorsqu’elle est exprimée dans l’unité J s, qui est égale à kg m2 s -1, où le compteur et le second sont définis en termes de c et ∆vCs.

Qu’est-ce que c’est?

C’est beaucoup plus difficile à expliquer qu’un morceau de métal en France. Mais essayons.

Fondamentalement, la Conférence Générale sur les Poids et Mesures fixera la valeur de la constante de Planck, qui décrit comment les plus petits morceaux de matière libèrent de l’énergie en étapes discrètes ou en morceaux (appelés quanta).

Avec le vote de vendredi, la constante de Planck sera maintenant et pour toujours fixée à 6,62607015 × 10-34 m2 kg / s. Et à partir de cette valeur fixe de la constante de Planck, les scientifiques peuvent déduire la masse d’un kilogramme.

Cet effort de redéfinition a pris des décennies car la constante de Planck est minuscule (elle commence par un point décimal et est suivie de 33 zéros) et devait être calculée jusqu’à une marge d’erreur très minuscule. Le travail a nécessité des mesures minutieuses avec une machine incroyablement compliquée appelée balance à croquettes (plus d’informations ci-dessous), ainsi que des observations d’une sphère de silicium extrêmement ronde.

Cette explication peut sembler bancale. Et ça l’est. Mais pour mieux l’apprécier, il est utile de voir comment le compteur — l’unité de longueur standard au monde — a été redéfini en termes de vitesse de la lumière comme exemple de la raison pour laquelle cela était nécessaire.

Le mètre a été défini à l’origine comme la longueur d’une barre au Bureau International des Poids et mesures en France. (Il a ensuite été redéfini pour être égal à une certaine longueur d’onde de rayonnement.) Encore une fois, le problème avec cette définition était son imprécision. Il n’était pas basé sur des propriétés immuables de l’univers.

La vitesse de la lumière, en revanche, est immuable de 299 792 458 mètres par seconde. Peu importe où vous êtes, les scientifiques croient, cela reste le même. (Au moins, si cela change, cela bouleverserait la plupart de tout ce que nous savons sur la physique.)

En 1983, les physiciens étaient devenus vraiment doués pour mesurer la vitesse de la lumière. Ils l’ont donc utilisé pour fixer la longueur du compteur pour toujours, pour le rendre permanent. Voici comment: Ils ont redéfini le compteur pour qu’il soit égal à la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde. Essentiellement, la définition du compteur est maintenant intégrée à la définition de la vitesse de la lumière.

Il y a une poésie à cela: les scientifiques ont pris le mètre — une mesure de longueur arbitraire inventée par les humains — et l’ont apposé sur une constante universelle. Nos mesures humaines désordonnées ont transcendé leur humanité désordonnée; elles ont été mêlées à une vérité éternelle.

Le nouveau compteur défini par la lumière a la même longueur que l’ancien compteur standard à Paris. Mais contrairement à l’ancienne norme à Paris, la définition du compteur ne peut jamais, jamais changer.

La même chose se produit avec la constante de Planck. Comme la vitesse de la lumière, la constante de Planck est une vérité universelle qui ne changera jamais.

En définissant une valeur finale de la constante de Planck — dont les unités incluent le kilogramme, tout comme les unités de la vitesse de la lumière incluent le mètre — la taille d’un kilogramme est à jamais stable. Vous pouvez aussi y penser comme ceci: Le kilogramme a été ancré à la constante de Planck, où il reposera, pour toujours.

(Peut-être que si vous avez lu attentivement, vous avez remarqué qu’il y avait un problème de poule et d’œuf ici. Comment cherchez-vous à définir un compteur en termes de vitesse de la lumière si vos mesures de la vitesse de la lumière contiennent également l’unité « mètre”? C’est la même chose pour la constante de Planck: elle contient des kilogrammes dans ses unités. Réponse courte: C’est pourquoi les personnes qui travaillent sur ces problèmes ont un doctorat.)

La balance à croquettes est la machine qui rend tout cela possible

Redéfinir le kilogramme en termes de Planck a été un défi immense, qui a pris des décennies à être terminé.

D’une part, les scientifiques devaient être capables de mesurer la constante de Planck à un degré extrêmement précis. Si notre estimation de la vitesse de la lumière avait une grande marge d’erreur, ce ne serait pas une ancre fiable pour mesurer un mètre. Même chose pour le Planck.

Depuis des décennies, les scientifiques du NIST, ainsi que de quelques autres laboratoires à travers le monde, utilisent une machine appelée balance à croquettes (parfois appelée balance du watt) pour mesurer avec précision la constante de Planck à un degré suffisamment prudent pour qu’elle puisse être utilisée pour redéfinir le kilogramme.

Comme les étalons du kilogramme, la balance des croquettes est logée profondément sous terre au NIST. Il est construit sur un sol en béton qui peut littéralement flotter au-dessus des fondations du bâtiment pour mieux isoler son équipement sensible des vibrations du reste de l’installation. Je dois porter un filet en plastique sur mes cheveux et mes chaussures pour aller le voir car tout débris pourrait le jeter hors de l’étalonnage.

Si les Victoriens avaient construit une machine à remonter le temps et l’avaient garée dans une brasserie, j’imagine que cela ressemblerait à quelque chose comme ça.

La balance à croquettes fonctionne un peu comme un simple bilan de masse. Imaginez la seule Dame que la Justice tient dans sa main: Elle a deux casseroles qui s’équilibrent en un point central. Une balance simple compare deux poids sur chacune des casseroles, dans le but de les assimiler.

La balance à croquettes – du nom de son défunt inventeur, le physicien britannique Bryan Kibble – fait quelque chose de similaire, mais avec une torsion mécanique quantique. Il assimile l’énergie mécanique exercée par la masse d’un objet à une quantité équivalente d’énergie électrique.

La formule que donne la balance des croquettes pour assimiler la masse et la puissance électrique est compliquée. (Les scientifiques du NIST m’ont amené au tableau blanc ci-dessous pour m’expliquer.)

Ce qui est important, c’est que dans cette équation — parmi toutes les variables en jeu, qui incluent la masse, la vitesse, l’attraction gravitationnelle, le magnétisme et l’électricité — se trouve la constante de Planck. Et en utilisant cette machine, les scientifiques ont pu résoudre pour Planck. Les mathématiques fonctionnent parce que, comme nous l’a enseigné Albert Einstein avec sa plus célèbre équation E = mc2, la masse et l’énergie sont essentiellement des expressions différentes de la même chose.

Maintenant, vous pensez peut-être: Que fait la balance des croquettes maintenant qu’elle a défini la constante de Planck?

Eh bien, il remplace le besoin de Grand K en France car il connaît désormais la masse d’un kilogramme en termes de constante de Planck. Et ce sera une mesure précise, un moyen de continuer à s’assurer qu’un kilogramme reste un kilogramme, qui peut être utilisé pour peser des objets et déterminer leur masse selon la nouvelle norme.

« À l’heure actuelle, notre assurance qualité sur la stabilité de est basée sur un accord”, explique Abbott. « Nous disons que cela ne changera pas. Notre assurance qualité sur la balance des croquettes est qu’elle est basée sur une constante de la nature qui a été mesurée, rigoureusement, par le monde entier. et nous savons que cela ne change pas. C’est toute la différence dans le monde.”

La démocratisation des poids et mesures est en cours

Toujours avec moi ?

Si vous avez passé sous silence tout cela, voici à quoi se résume tout ce changement: Nous n’aurons plus besoin d’un gouvernement — les États—Unis, la France, qui que ce soit – ou d’un organe directeur international pour nous dire ce qu’est un kilogramme. Ce sera une vérité fondamentale de l’univers, accessible à toute personne disposant de l’équipement approprié pour la réaliser.

En théorie, n’importe qui peut construire un équilibre de croquettes. (On me dit qu’il y en a des miniaturisés sur le chemin.) ”Ils peuvent construire cette expérience, et ils peuvent mesurer n’importe quelle masse qu’ils veulent, n’importe quel matériau, il suffit de la mettre sur la balance et vous obtenez la valeur de la masse, absolue, en termes de constante de Planck », explique Darine El Haddad, qui dirige l’expérience Kibble balance au NIST. La balance des croquettes permet une « mesure absolue”, dit-elle.

À l’avenir, l’industrie manufacturière n’aura plus besoin d’envoyer ses poids et balances au NIST pour étalonnage. Ils pourraient avoir une balance de croquettes sur le sol de leur usine. Dans cette optique, la nouvelle définition est plus démocratique — une définition qui est libre d’être utilisée dans le monde entier et non enfermée dans une affaire en France.

Le changement présente cependant de gros inconvénients. ”Les gens ne comprennent même pas le système métrique », explique Abbott. « Comment allez-vous expliquer un équilibre de croquettes ? »La complexité de la définition peut être un frein pour les personnes qui veulent en apprendre davantage sur la science. Un enfant du primaire peut comprendre qu’un morceau de métal pèse un kilogramme, mais la mécanique quantique?

Schlamminger soutient que si la nouvelle définition est plus compliquée techniquement, « philosophiquement, elle est plus simple. »Le kilogramme sera bientôt défini par la physique fondamentale de l’univers, pas par une machination humaine.

Schlamminger a les mots fondateurs du système métrique, « pour tous les temps, pour tous les hommes”, tatoués sur son bras, à côté des chiffres de la constante de Planck. C’est à quel point il croit fermement en l’idéal. Il voit dans ce travail  » la fin de l’arc qui a commencé avec la Révolution française. »Et c’est complet: Avec le vote de vendredi, le kilogramme est maintenant pour toujours, pour tous les temps et pour tous les peuples.