Les scientifiques réinventent les moyens de définir des unités de mesure standard, s'appuyant sur les mathématiques, des constantes mesurables plutôt que des objets de référence physiques. WIN-Initiative/Neleman/Getty Images Si vous connaissez les bases de la conversion métrique, vous savez que 2,2 livres équivalent à 1 kilogramme. Mais combien pèse un kilo, exactement? Comment définir un concept abstrait comme une unité de mesure ? Depuis 1875, le poids exact d'un kilogramme a été défini par le Prototype International du Kilogramme, un cylindre fait d'un alliage à 90 pour cent de platine, 10 pour cent d'iridium, et se trouve enfermé dans un coffre-fort environnementalement réglementé en dehors de Paris. Tous les 40 ans, il est supprimé et comparé à une demi-douzaine d'exemplaires dans le monde, qui à leur tour sont utilisés comme modèles pour les répliques de poids dans le monde entier.
Ce système était OK à la fin du 19ème siècle. Mais aujourd'hui, avec des mesures ultra-précises nécessaires à la production pharmaceutique, chimie, l'astrophysique et d'autres activités, ça ne marche plus aussi bien. Ajoutez à cela un autre problème — après près d'un siècle et demi, il a pris du poids, grâce très probablement à des contaminants qui se sont progressivement accumulés à sa surface.
Les travaux du physicien allemand Max Planck (1858-1947) ont aidé les scientifiques à définir et à comprendre l'univers pendant des décennies. Collection Hulton Deutsch/Corbis/Getty Images C'est pourquoi le Comité international des poids et mesures, l'organe directeur qui contrôle ce que signifie peser un kilogramme, est intéressé à passer d'une norme physique à une norme basée sur une norme fondamentale de la nature - quelque chose que les scientifiques peuvent reproduire dans des laboratoires à travers la planète.
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) du gouvernement américain disent qu'ils ont fait une percée qui pourrait résoudre le problème. En utilisant une nouvelle machine appelée NIST-4, ils ont déterminé une valeur plus précise pour la constante de Planck, un très petit nombre (et une quantité physique fondamentale) utilisé en physique quantique pour calculer la quantité d'énergie transmise par un seul photon.
La constante de Planck peut également être utilisée pour définir le kilogramme, car c'est aussi une constante fondamentale - quelque chose qui ne change pas dans notre univers - et les scientifiques peuvent mener des expériences pour déterminer ce que c'est. "On peut réparer l'appareil et demander à la nature, « Quelle est la valeur numérique de la constante fondamentale en utilisant ces unités ? » a déclaré le physicien du NIST Stephan Schlamminger dans un e-mail. « Ou bien, nous pouvons fixer la valeur numérique et utiliser l'expérience pour déterminer la taille de l'unité."
Pour calculer plus précisément la constante de Planck, Les chercheurs du NIST ont utilisé un appareil appelé balance Kibble, du nom du physicien britannique qui a inventé la technique. L'appareil " compare la puissance électrique à la puissance mécanique, " a déclaré Schlamminger. " La puissance est mesurée en unités de watt. La puissance mécanique est donnée par la force multipliée par la vitesse. Dans la balance, la force est le poids d'un étalon de masse. La puissance électrique peut être mesurée comme le produit de deux fréquences et de la constante de Planck. Ceux-ci ont à voir avec deux effets de la mécanique quantique qui sont utilisés pour mesurer la tension et la résistance. D'où, l'unité de masse peut être liée à la constante de Planck."
Voici une vidéo dans laquelle la physicienne du NIST Darine Haddad utilise une tasse de café et des morceaux de sucre pour expliquer la signification de la constante de Planck :
En 2016, Les scientifiques du NIST ont publié une mesure de la constante de Planck avec une incertitude de seulement 34 parties par milliard, lequel est, bien, sacrément précis. Mais ils ont continué à expérimenter, et maintenant qu'ils ont plusieurs années de données sur lesquelles travailler, ils ont affiné le petit nombre encore plus loin. La nouvelle mesure du NIST fixe la constante de Planck à 6,626069934 x 10−34 kg∙m2/s, avec une incertitude de seulement 13 parties par milliard.
Les chercheurs du NIST sont l'une des nombreuses équipes scientifiques dans des pays allant du Canada à la Corée du Sud qui rivalisent pour trouver la valeur la plus précise pour la constante de Planck. Certains effectuent également des expériences avec la balance Kibble, tandis que d'autres utilisent la méthode de densité cristalline aux rayons X, dans lequel ils déduisent le nombre d'atomes de silicium dans une sphère de silicium extrêmement ronde, dit Schlamminger.
Le physicien du NIST a noté qu'il pourrait être possible de réduire le degré d'incertitude dans leur mesure de la constante de Planck encore plus loin que la valeur publiée, jusqu'à 11 parties par milliard. Mais ils espèrent que le nombre publié est suffisant pour redéfinir le kilogramme, il a dit.
Maintenant c'est intéressantMax Planck, le physicien allemand lauréat du prix Nobel qui a conçu la constante de Planck en 1900, avait un fils Erwin qui a été impliqué dans la tentative infructueuse d'assassiner Adolf Hitler en 1944. Erwin a été exécuté en 1945, malgré une lettre que son père a écrite au dictateur nazi pour plaider pour sa vie.
