Vous vous souvenez peut-être de notre premier article sur le travail en cours pour redéfinir le kilogramme, qui passerait d’un standard physique à un standard basé sur des constantes fondamentales de la nature. Le 16 Novembre 2018, ce travail a été accompli et le kilogramme fut officiellement redéfini. Mais qu’est-ce que ça veut dire ?
Le Vote
Le vote lui-même était une formalité; cela fait longtemps que la communauté scientifique dans la métrologie convertit les standards physiques, en commençant avec le mètre en 1983. Cependant, c’était un moment important pour la science (le kilogramme n’était pas la seule unité impactée). Après tout, cette redéfinition est la culmination de décennies de travail pour de nombreux scientifiques, et ce travail a avancé notre compréhension de la physique. Cela nous montre aussi le chemin que nous avons parcouru en termes de science ; nous sommes passés de règles spéciales et de poids de calibrages anciens enfermés dans chambres fortes à l’utilisation de la vitesse de la lumière et le comportement des atomes (entre autres). Le kilogramme était la dernière unité de base SI représentée par un standard physique.
Pourquoi ce changement?
L’idée de redéfinir une unité de mesure pour standardiser la science n’est pas nouvelle, quoique les avancements en physique aient permis une recherche de précision plus rigoureuse et des efforts pour standardiser les unités dans différents pays pour aider la science internationale collaborative.
Tout d’abord, les unités physiques peuvent se dégrader au fil du temps, même sous soins exquis. Ensuite, avoir un objet physique fragile dans un coffre-fort en France qui ne peut presque jamais être utilisé empêche cette précision supérieure d’être disponible à tout le monde. Les scientifiques insistent sur l’importance de rendre cette précision largement accessible. Pour finir, utiliser une constante fondamentale de la nature plutôt qu’un standard physique est beaucoup plus stable et fiable. C’est aussi pratique pour les calculs scientifiques.
Si un standard physique se dégrade et c’est réalisé trop tard, cela veut dire que les copies et les autres standards utilisés peuvent être imparfaits, copiés avec la différence de masse créée par la dégradation. Un grain de sable ne semple pas important quand vous pesez des pommes au magasin, mais dans certains domaines comme la chimie, la médecine ou la nanotechnologie, même une petite erreur peut avoir des conséquences désastreuses. Et n’oubliez pas : la masse affecte d’autres unités (comme le Newton) et formules qui forment notre conception de la physique.
Comment a-t-on redéfinit le kilogramme?
La constante de Planck
Ce sujet est particulièrement complexe, donc nous vous prions de garder à l’esprit que c’est une simplification exagérée. Depuis des décennies, les scientifiques avaient compris que la clef pour redéfinir le kilogramme est la constante de Planck. La constante de Planck n’est pas aussi reconnue que la célèbre E = mc^2 (énergie, masse et la vitesse de la lumière) d’Einstein, mais elle est tout aussi importante. Pour simplifier considérablement, la constante de Planck permet de quantifier les vibrations atomiques. Essentiellement, cela permet l’étude de la physique quantique. Vous pouvez y penser en termes de molécules ; dans Nova, James Stein explique que, tout comme la quantité d’eau la plus petite est une molécule d’eau, Planck a trouvé la plus petite unité d’énergie qui peut être exprimée. C’est si important que les scientifiques responsables du projet de la Balance de Kibble se sont fait tatouer le nombre.
Quel est le lien avec le kilogramme?
Vous vous souvenez de l’équation d’Einstein? NIST explique qu’elle montre que la masse « peut être comprise et même quantifiée en matière d’énergie ». Dans l’équation de Planck, E=hv (E est énergie, h est la constante de Planck, et v est la fréquence) montre que l’énergie peut être calculée avec la fréquence. Cependant, et c’est important, la fréquence peut être remplacée avec la masse multipliée par un multiple de h. Cela veut dire que la masse et h sont intrinsèquement reliés, et qu’on peut utiliser l’un pour trouver l’autre.
Le débat pour redéfinir le kilogramme dans les années 90 a éventuellement conduit à deux idées que nous avons déjà couvertes dans notre article précèdent. Pour récapituler, l’une des idées était d’utiliser une sphère construite avec un isotope de silicone spéciale. Les caractéristiques de l’isotope ont essentiellement permis de compter les atomes dans la sphère comme les boules de gommes dans une machine à gomme en utilisant le nombre d’Avogadro et les caractéristiques de la mole. L’autre idée, c’était de trouver une valeur fixe pour la constante de Planck avec une balance de Kibble, et de calculer la valeur du kilogramme avec. La balance de Kibble génère un courant électrique dans une bobine pour créer un champ électromagnétique qui agit comme une antiforce contre le poids de la masse de test.
Le nombre d’Avogadro et la constante de Planck sont interconnectés dans le monde de la physique, donc les deux expériences différentes ont été conduites pendant des années, et ont servi de vérification mutuelle. La définition du kilogramme sera officiellement changée le 20 Mai 2019 (la journée mondiale de la métrologie). Mais ce ne sera pas la fin. Les scientifiques vont utiliser ces découvertes pour vérifier et améliorer les résultats, et pour trouver une façon de calibrer les masses qui seront utilisées en dehors du vide. Cet accomplissement incroyable ne va pas seulement améliorer la métrologie, mais va aussi aider les avancements en physique, chimie, astronomie, et plus encore.
Nous espérons que ceci vous a aidé à comprendre la redéfinition du kilogramme. Comme toujours, vous pouvez nous contacter si vous avez des questions, et nous suivre sur les medias sociaux pour les actualités Adam et les mises à jour de notre blog.