Dans quelques mois, le kilo ne sera plus tout à fait le même. Rassurez-vous, il ne s'agit pas d'un gigantesque complot pour vous faire payer plus cher les pommes de terre ou pour vous obliger à remplacer toutes les balances de la maison. Le changement qui va intervenir ne se ressentira pas sur les instruments de mesure du quotidien, et seuls les scientifiques verront la différence.

Kilogramme, ampère, mole et degré Kelvin vont cependant subir une redéfinition en profondeur. Ces unités appartenant au système international auront désormais des fondations bien plus solides et ne dépendront plus de références susceptibles de varier. A la place, elles seront toutes liées à des constantes physiques, immuables.

Ces nouvelles définitions doivent être entérinées lors de la Conférence générale des poids et mesures qui se tiendra à Versailles du 13 au 16 novembre. Pourquoi une telle modification ? Parce que les besoins de précision évoluent, et que les unités de mesure doivent être en conformité avec les exigences de la science et de la technologie.

Du mètre au kilo

Ancien mètre-étalon rue de Vaugirard à Paris. (Zinneke/Wikimedia Commons)

Le mètre a déjà franchi le pas depuis de nombreuses années. Ce symbole du "système métrique" qui porte son nom, héritier de la Révolution française, était à l'origine défini comme le dix-millionième de la distance du pôle Nord à l'équateur. En pratique, il était lui aussi représenté par un morceau de métal conservé bien à l'abri et qui servait de modèle à tous les autres.

Pendant quelques années, à partir de 1960, le mètre a été redéfini avec pour référence une longueur d'onde lumineuse spécifique, mais ce fut éphémère : en 1983, la définition actuelle du mètre a vu le jour, le liant à la seconde et à la vitesse de la lumière. Le mètre est ainsi devenu la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1.299.792.458e de seconde. L'unité de temps (la seconde) est elle-même définie par un phénomène physique : la fréquence de l'atome de Césium 133.

Le kilogramme, lui, a été défini au XIXe siècle comme la masse d'un litre d'eau à zéro degré Celsius. Jusqu'ici, la référence de cette unité de mesure est un objet bien physique, un poids fait de platine et d'iridium, fabriqué en 1889 et conservé bien à l'abri dans des locaux du Bureau international des Poids et Mesures, à Sèvres. Ce poids métallique a servi à étalonner tous les autres "kilos" de référence dans le monde.

Malgré toutes les précautions, un objet peut pourtant subir des modifications, même infimes, en perdant des atomes ou en absorbant des molécules de son environnement. Sur un siècle, on a constaté que certaines copies officielles du kilogramme étalon ont perdu jusqu'à 50 microgrammes par rapport à la référence originale. Pour la science actuelle, de telles variations ne sont pas admissibles.

Un besoin de précision de plus en plus grand





Vue d'artiste de la sonde Mars Orbiter. (NASA/JPL)

Avoir des unités de mesure cohérentes et qui s'accordent entre elles n'est pas seulement un enjeu théorique. En 1999, la sonde américaine Mars Climate Orbiter échoue à se mettre en orbite autour de Mars et va se perdre dans l'espace. La raison ? Une erreur d'unités entre deux équipes au sol, la première transmettant à la seconde des données du système américain (pieds et livres) alors que l'autre travaillait avec le système métrique.

L'adoption quasi généralisée du Système international d'unités (SI) en 1960 par la plupart des pays de la planète (aujourd'hui, seuls les Etats-Unis, le Liberia et la Birmanie ne l'utilisent pas) a été une première étape, celle de l'unification des mesures qui si elle était vraiment étendue à toute la planète éviterait des erreurs comme celle qui a coûté une sonde spatiale à la Nasa. Mais il faut également que ces unités soient bien définies, et c'est le rôle des conférences générales des poids et mesures, assemblées de spécialistes mondiaux, que d'y veiller.

Des unités invariables sont aujourd'hui nécessaires pour la science, mais aussi dans diverses branches technologiques, que ce soit l'électronique ou la chimie (notamment dans l'industrie pharmaceutique). En ingénierie, les tolérances en matière de mesures auraient été divisées par 30 durant les trois dernières décennies du XXe siècle. Alors que la précision augmente, que l'on réalise des matériaux à l'échelle de la molécule et même de l'atome, une variation même minime des unités de référence devient un risque à ne pas courir.

Les unités qui vont changer... de définition

L'un des premiers prototypes du kilogramme, fabriqué en 1793. (National Institute of Standards and Technology, NIST/Wikimedia Commons)

Outre le kilogramme, trois autres unités doivent être redéfinies en novembre : l'ampère, la mole et le degré Kelvin. Les nouvelles définitions sont particulièrement complexes pour le commun des mortels, mais auront le mérite de lier ces unités à des constantes utilisées par les scientifiques et dont les valeurs vont être précisées pour l'occasion.



- Le kilogramme doit donc s'affranchir de la masse physique qui lui sert aujourd'hui de modèle. Pour cela, les experts ont décidé d'utiliser un élément lié à la mécanique quantique : la constante de Planck, qui permet de mesurer les quanta d'énergie. Ils vont donner une valeur fixe à cette constante, dont l'unité est exprimée en kg⋅m2/s. Comme le mètre et la seconde sont déjà définis par rapport à d'autres valeurs fixes, le kilo se déduira de la constante de Planck et sera donc lié à la fois de l'unité de distance et de l'unité de temps.

- Le Kelvin est une unité de température. Un degré Kelvin est égal à un degré Celsius, celui que l'on mesure sur nos thermomètres, mais la différence réside dans le point d'origine. Alors que le zéro du Celsius correspond au point triple de l'eau (pour simplifier, le moment où l'eau passe de l'état solide à l'état liquide ou inversement), celui de l'échelle Kelvin est le "zéro absolu", la température la plus basse qui puisse exister dans l'univers (-273.15°C).

Jusqu'ici, on définit le Kelvin par rapport... au même point triple que le zéro Celsius. La nouvelle définition fera intervenir la constante de Boltzmann, une donnée utilisée en thermodynamique et qui dépend à la fois du Kelvin, du mètre, du kilogramme et de la seconde. Encore une fois, on aura des valeurs fixes.

- L'ampère bien connu des électriciens mesure l'intensité du courant électrique. Sa définition actuelle est liée à une expérience théorique, consistant à imaginer l'intensité d'un courant qui passerait dans deux fils de longueur infinie et produirait une force donnée dans le vide entre les deux.

La nouvelle définition sortirait de l'imaginaire pour aller, une fois encore, puiser dans l'attirail des constantes scientifiques connues. On la relierait à la charge élémentaire du proton (charge électrique d'un seul proton, dont la valeur numérique sera elle aussi précisée lors de la conférence) et à la seconde, également fixe. On notera que d'autres unités dont la définition dépend de l'ampère (comme le volt et l'ohm) vont être impactées par le changement.

- La mole est une unité moins connue du grand public. Elle désigne une quantité de matière, le nombre d'atomes ou de molécules que l'on peut trouver dans un volume donné de gaz, de solide ou de liquide. A l'heure actuelle, la mole correspond au nombre d'atomes présents dans 12 grammes de carbone 12, l'isotope le plus abondant du carbone.

La nouvelle définition ne va pas différer en pratique de l'ancienne, mais la préciser : ce nombre de particules ou groupe de particules (atomes, ions, électrons...) sera officiellement de 6,022 14076 1023, ce qui rappellera des souvenirs à ceux qui ont suivi des cours de physique-chimie au lycée : c'est le nombre d'Avogadro.

Si ces définitions vous donnent le tournis, pas de panique : rien de tout ça ne changera votre quotidien. Mais si vous vous intéressez un peu à la manière dont la science fonctionne, sachez qu'ingénieurs, physiciens et autres chimistes disposeront d'outils plus fiables à partir de la mi-novembre.

En amont, le CNRS organise d'ailleurs un colloque à Paris, les 18 et 19 octobre, "afin d'engager une réflexion interdisciplinaire sur le rôle et les enjeux de la mesure pour les sciences". Des enjeux pour la science, mais aussi pour la société.