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Le kilogramme fait-il toujours son poids ?

Le mètre étalon du kilogramme a changé et relève désormais d'une formule mathématique. 
Le mètre étalon du kilogramme a changé et relève désormais d'une formule mathématique. 
©Istock/Lebazele

Voilà plus d'un siècle que le "grand K" (un cylindre de platine et d'iridium) définit la masse du kilogramme. Alors que les mesures sont de plus en plus précises, sa masse semble avoir varié. C'est pourquoi, lundi 20 mai, le kilogramme, mais aussi l'ampère, le kelvin et la mole, bénéficient d'un nouveau système de mesure international. Trois questions pour essayer d'y voir plus clair.

Le système utilisé depuis plus d'un siècle est aujourd'hui obsolète. Un nouveau système de mesure internationale a été voté à Versailles, le 16 novembre dernier lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM). Il concerne le kilo, l’ampère (qui mesure le courant électrique), le kelvin (température) et la mole (quantité de matière).

Qu'est-ce que le kilogramme étalon ?

C'est en 1889 que la toute première Conférence générale des poids et mesures établit les nouveaux prototypes internationaux du mètre et du kilogramme. Une conférence qui aboutit à la création du prototype international du kilo, ou grand K, un cylindre de platine et d’iridium. Cet alliage garantit une constance dans le temps, contrairement à d'autres matériaux.

Le "grand K" est un cylindre de platine et d'iridium conservé précieusement depuis 1889 au bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres.
Le "grand K" est un cylindre de platine et d'iridium conservé précieusement depuis 1889 au bureau international des poids et mesures (BIPM), à Sèvres.
© National Institute of Standards and Technology / Image libre de droits

Depuis ce jour, le kilogramme constitue la référence mondiale de masse. Ce cylindre est protégé sous trois cloches de verre au bureau international des poids et mesures situé à Sèvres, près de Paris. 

Un peu d'histoire...

Avant la Révolution française, différentes mesures régionales cohabitent sur le territoire. Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour que le kilogramme soit défini. La loi du 10 décembre 1799 établit qu'un kilogramme  = un cylindre en platine =  la masse d'un décimètre cube d'eau à la température de 4°C.
Avant cela, la "pile de Charlemagne" était l'étalon royal de la masse. Et l'unité principale s'appelait la "livre poids-de-marc" soit 489,5 g. Cette pile était un étalon monétaire, servant aux artisans travaillant l'or ou l'argent.

Le kilogramme pèse-t-il vraiment son poids ?

Plus ou moins, et c'est un problème. Le cylindre enfermé au Bureau international des poids et mesures est utilisé depuis 1889 comme étalon pour une masse. Mais celle-ci fluctue.

Trois campagnes de vérifications, effectués en 1889, 1948 et 1989, ont permis de constater que la masse d'un grand nombre de prototypes a varié par rapport à l’étalon. Cette variation est évidemment anecdotique pour tout le monde lorsqu'il s'agit de faire son marché, de se peser, etc. Mais elle peut devenir problématique pour l'industrie et surtout les sciences, qui sont entrées dans l'ère de l'infiniment petit, avec notamment le développement des technologies quantiques.

Il faut donc redéfinir ce qu'est précisément le kilo. Trois autres unités seront elles aussi figées : l’ampère (courant électrique), le kelvin (température) et la mole (quantité de matière).

Quelles sont les conséquences de ce nouveau système de mesure ?

Cette fluctuation est un problème pour la précision des mesures. Il faut donc dématérialiser le kilogramme et le ramener à quelque chose qui ne bouge pas : il est désormais défini par une formule mathématique basée sur la valeur de la constante de Planck, établie en 1900 par le physicien Max Planck, père de la physique quantique. 

Tout cela ne s'est pas fait en un jour. Il a fallu trente ans avant de pouvoir arriver à établir cette formule. Ce nouveau système va permettre de prendre des mesures beaucoup plus précises, notamment pour les scientifiques.

Sa définition ne sera donc plus basée sur un objet physique, ce qui ouvre la voie à de possibles avancées technologiques, dans les années à venir. Pour rappel, la création du GPS est intervenue quelques temps après la dématérialisation du mètre, en 1983.