La réplique du NIST du Grand K (face avant), le poids international qui définit un kilogramme qui est stocké dans un coffre-fort en France. Les objets physiques seront remplacés par la constante de Planck comme définition d'un kilogramme. J.L. Lee/NIST

Depuis près de 150 ans, le poids officiel d'un kilogramme était déterminé par un cylindre de platine brillant enfermé dans un coffre-fort français.

Le kilogramme, comme le mètre et le second, est l'une des sept unités de mesure fondamentales (également appelée système international d'unités ou système métrique, le "SI" en abrégé). Celles-ci ont été formalisées pour la première fois dans le traité du mètre de 1875. À l'époque, la meilleure façon de se mettre d'accord sur le poids d'un kilogramme était de forger un seul morceau de métal et de l'appeler « Le Grand K ». Et depuis plus d'un siècle, toutes les échelles scientifiques ont été recalibrées à ce point de référence physique (avec des copies stockées dans une douzaine de pays).

Mais même les objets solides peuvent changer avec le temps. Lors de la pesée du Grand K dans les années 1980, il était plus léger de quelques microgrammes, ce qui signifie que toutes les balances scientifiques très précises (pas celle de votre salle de bain) ont dû être recalibrées. C'est ce que les nerds appellent une vraie douleur dans la masse.

Heureusement, des équipes de métrologues étaient déjà sur le dossier (la métrologie est la science des poids et mesures), à la recherche d'une constante universelle qui générerait une valeur fixe pour le kilogramme qui est vrai maintenant et dans un million d'années.

Ils avaient déjà trouvé un tel correctif physique pour le second, qui a été redéfini en 1967 à partir du 1/86, 400e d'un jour à quelque chose de beaucoup plus déroutant, mais constant. Il faut 9, 192, 631, 770 oscillations d'un faisceau de micro-ondes spécial pour exciter les atomes de l'isotope césium-133 à un niveau d'énergie plus élevé. Étant donné que ce nombre ne changera jamais (contrairement à la durée exacte d'un jour), c'est votre nouvelle seconde !

Idem pour le compteur. Au lieu d'être défini comme la longueur d'un seul, poteau métallique d'un mètre de long forgé en 1889, il a été redéfini en 1983 comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299, 792, 458e de seconde.

Ce n'est qu'en 2017 que les scientifiques travaillant à l'Institut national américain des normes et de la technologie (NIST) et des organismes similaires dans le monde entier se sont finalement mis d'accord sur une constante universelle pour le kilogramme. La réalisation a nécessité de résoudre l'un des problèmes de physique les plus épineux du siècle dernier, trouver une valeur numérique pour la constante de Planck.

Sans devenir trop technique (vous pouvez le faire ici), Le physicien Max Planck a prouvé en 1900 que la matière libère de l'énergie en morceaux discrets appelés « quanta ». Son équation pour mesurer ces paquets d'énergie comprenait une constante appelée h , connue jusqu'ici sous le nom de constante de Planck. Merci à Einstein, nous savons que l'énergie et la masse sont mathématiquement liées, les physiciens ont donc compris que la constante de Planck (qui est une unité d'énergie fixe) pourrait fournir la mesure de masse la plus précise au monde.

Le calcul de la valeur exacte de la constante de Planck a pris des décennies et de sérieuses innovations technologiques (en particulier un appareil astucieux appelé Kibble Balance), mais maintenant, même les enfants de maternelle distraits savent que la constante de Planck est 6,626070150 × 10 ^-34 kg⋅m ² /s. Je veux dire, duh.

A la mi-novembre, à la réunion annuelle du Bureau international des poids et mesures (BIPM) à Versailles, La France, les représentants de plus de 60 pays ont voté pour approuver une nouvelle définition éternelle du kilogramme tel que calculé par la constante de Planck. Plus de morceau de métal - la masse du kilogramme est maintenant liée à la constante de Planck. De nouvelles définitions ont également été annoncées pour les unités SI l'ampère (courant électrique), le kelvin (température) et la mole (nombre de molécules ou d'atomes dans un élément). Ces nouvelles définitions sont entrées en vigueur le 20 mai 2019.

Le prototype du kilogramme de platine d'origine restera dans cette voûte française souterraine, tandis que d'innombrables générations de scientifiques font des découvertes qui changent la vie en utilisant le kilogramme 2.0.

Maintenant c'est cool

Jon Pratt, l'un des métrologues en chef du NIST, s'est fait tatouer la constante de Planck pour célébrer la réalisation de 2017.