A Sèvres, une petite commune aux portes de Paris, se trouve un morceau de métal brillant de la taille d'une paume. Le Grand K, ou Big K comme ils appellent l'alliage de platine et d'iridium, se trouve sous terre dans un coffre-fort de haute sécurité. Il est tenu sous trois cloches en verre, et ne peut être récupéré qu'à l'aide de trois clés distinctes, chacun détenu par des individus différents.

Contrairement aux apparences, la falsification et le vol ne sont pas la plus grande préoccupation de ceux qui gardent Big K. Au lieu de cela, les gardiens de l'artefact ont passé ces dernières années à s'inquiéter du fait que l'alliage n'est pas tout à fait à la hauteur de la réputation qu'il a eue au cours du siècle dernier - qu'il ne pèse plus exactement un kilogramme, mais des microgrammes plus légers.

Être hors d'environ le poids d'un grain de sable peut sembler anodin, mais Big K est le prototype international du kilogramme. En d'autres termes, c'est l'étalon-or par rapport auquel tous les autres kilogrammes dans le monde sont mesurés. Le plus petit écart dans la précision de Big K a un impact sur des domaines tels que la médecine, électronique et ingénierie, secteurs où des mesures précises sont primordiales. Mais un kilogramme fluctuant a également des effets d'entraînement sur d'autres phénomènes, tels que la force, l'énergie et l'intensité lumineuse - qui l'utilisent comme élément de base pour les mesures.

En raison des conséquences de grande envergure d'un Big K imprécis, les scientifiques recherchent maintenant une norme plus fiable et plus stable pour le kilogramme, une norme qui ne se concentre pas sur un seul morceau de métal. Leur objectif :redéfinir le kilogramme avec un nouveau standard physique d'ici fin 2018.

"Nous sommes sur le point d'assister à un changement révolutionnaire dans la définition du kilogramme, " a déclaré le physicien Klaus von Klitzing lors d'un discours au CERN en octobre dernier. Von Klitzing, qui a remporté le prix Nobel de physique 1985, est l'un des scientifiques impliqués dans la métamorphose du kilogramme.

Le changement, beaucoup se disputent, est attendu depuis longtemps. Le kilogramme est l'une des sept unités de base qui composent le Système international d'unités (SI), le système de mesure le plus utilisé dans le monde aujourd'hui. A l'origine, le kilogramme et le mètre étaient définis par des prototypes et le temps était fixé par la rotation de la terre, Cependant, entre-temps, de plus en plus d'unités de base sont connectées à des quantités physiques de la nature qui restent les mêmes quel que soit le temps ou l'emplacement.

Une seconde, par exemple, est défini comme le temps qu'il faut à l'atome de césium-133 pour terminer 9, 192, 631, 770 périodes de rayonnement pour une transition spécifiée. Un mètre était autrefois représenté par une barre de métal stockée aux côtés de Big K en France, mais est maintenant défini par la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant 1/299, 792, 458 de seconde.

Le kilogramme reste la seule unité SI représentée par un artefact instable. Ainsi en 2014, membres de la Conférence générale des poids et mesures, l'organisme international qui supervise le système SI, a voté pour redéfinir le kilogramme en termes de constante de Planck, une constante fondamentale de la mécanique quantique.

La redéfinition est un gros problème, dit John Pratt du National Institute of Standards and Technology (NIST), l'organisme responsable de la normalisation des poids et mesures aux États-Unis. La nouvelle définition signifie que nous pouvons passer d'une "définition de la masse du 19e siècle à une définition de la masse plus du 21e ou du 22e siècle, " a déclaré Pratt. "Nous pourrions l'obtenir sur la base d'une idée plus que d'un objet."

Lorsque l'étalon-or est instable, comme Big K l'a prouvé, c'est un "énorme inconvénient, " a déclaré Pratt. La perte de poids non comptabilisée de Big K signifie que ses cylindres frères - coulés à partir de Big K et expédiés dans le monde entier pour étalonnage - ne sont plus identiques à l'étalon-or. Les copies du NIST, par exemple, diffèrent de Big K d'environ 45 microgrammes, le poids d'un cil. Qui a fait des ravages il y a plusieurs années, conduisant à la réémission de certificats par le NIST pour ses kilogrammes, et les entreprises produisant des poids basés sur les normes du NIST devant en fabriquer de nouveaux.

Redéfinir le kilogramme selon la constante de Planck permettra d'éviter complètement de tels problèmes. Cependant, les physiciens doivent d'abord obtenir une mesure suffisamment bonne de la constante de Planck, le nombre de mécanique quantique qui relie l'énergie d'une particule à sa fréquence et, par E=mc2, à sa masse. Une fois que les scientifiques ont attribué une valeur fixe exacte à la constante de Planck, ils pourront en déduire une nouvelle définition du kilogramme.

Deux types d'expérimentations sont actuellement en cours, tous deux cherchant à mesurer la constante de Planck avec une précision extraordinaire. Le premier est le projet Avogadro, dirigé par une équipe internationale de scientifiques. Il s'agit de compter le nombre d'atomes dans deux sphères de silicium qui pèsent chacune le même poids que Big K. Avec ce nombre - le nombre précis d'atomes composant une substance particulière - les chercheurs peuvent calculer la constante d'Avogadro, le convertir en une valeur pour la constante de Planck et ainsi relier le kilogramme à la masse atomique.

La deuxième méthode utilise un appareil appelé watt, ou croquettes, équilibre. C'est une sorte d'échelle qui produit une valeur pour la constante de Planck en mesurant une masse d'essai d'un kilogramme, calibré avec Big K, contre une force électromagnétique. La constante de Planck est proportionnelle à la quantité d'énergie électromagnétique nécessaire pour équilibrer la masse.

Afin de calculer le courant et la tension qui composent la force électromagnétique, physiciens au NIST, qui mènent le projet, utiliser deux constantes universelles différentes. L'un est la constante de Josephson, tandis que l'autre est la constante de von Klitzing. C'était la découverte de ce dernier, partie de l'effet Hall quantique, qui a valu à von Klitzing le prix Nobel de physique en 1985.

Cinq ans plus tôt, von Klitzing, du Max Planck Institute for Solid State Research en Allemagne, ont mené des expériences pour observer l'effet des champs magnétiques appliqués aux semi-conducteurs qui avaient été refroidis à des températures extrêmement basses. Il a découvert que dans ses expériences, la résistance électrique augmentait par étapes - une fraction entière d'un nombre spécifique, 25, 812.807 ohms, qui est maintenant appelée la constante de von Klitzing.

L'effet Hall quantique, comme s'appelle le phénomène, est maintenant utilisé globalement pour calibrer les résistances électriques. Les scientifiques peuvent utiliser la constante de von Klitzing pour mesurer le courant dans une balance du watt.

"A l'aide de constantes fondamentales, nous avons la possibilité d'établir des unités qui conservent nécessairement leur signification pour toutes les cultures, même surnaturels et humains, " était une déclaration visionnaire de Max Planck il y a plus de 100 ans et nous avons aujourd'hui la chance de réaliser cette vision. L'effet Hall quantique a déclenché cette prise de conscience.

Von Klitzing sera à Singapour plus tard ce mois-ci pour participer au Sommet mondial annuel des jeunes scientifiques. L'événement de cinq jours, organisé par la National Research Foundation de Singapour, vise à faciliter les interactions de lumineux, de jeunes chercheurs internationaux avec d'éminents scientifiques pour discuter des domaines clés de la science et de la recherche, innovation technologique et société, et des solutions aux défis mondiaux.

Parmi les sujets de discussion, le relooking du kilogramme. En novembre, membres de la Conférence générale des poids et mesures se réuniront à Versailles, La France, voter sur la nouvelle définition du kilogramme, à côté de celui de l'ampère, kelvin et taupe. S'il est approuvé, les valeurs mises à jour et fixes entreront en vigueur à partir du 20 mai, 2019, à l'occasion de la Journée mondiale de la métrologie.