"Tout est différent, rien ne change" relate l'effort pluriannuel pour redéfinir le kilogramme. Des interviews d'experts et des images brillantes sur place offrent un aperçu à la fois de la pensée et de la technologie qui ont permis de prouver la constance du nouveau standard de masse.
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L'unité de masse, le kilogramme, est la dernière unité de mesure SI définie par un artefact physique, plutôt que par une constante mathématique. En 1889, la 1ère Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a adopté le Prototype international du kilogramme (PIK) comme définition de l'unité, qui est restée inchangée jusqu'à présent. Dans le passé, cela signifiait que la mesure de la masse reposait entièrement sur l'exactitude de la masse d'un objet physique, qui, même en dépit de mesures de sécurité avancées, a été sujette à des changements incontrôlables avec le temps.
Une nouvelle définition du kilogramme était donc nécessaire, afin de garantir que l'unité de mesure soit indépendante d'un objet physique, et donc totalement stable, précise et accessible, indépendamment du temps et du lieu. Des scientifiques du monde entier ont participé à ce projet de recherche novateur visant à redéfinir le kilogramme.
La redéfinition du kilogramme fait partie de la plus grande révision du système international d'unités (SI) depuis sa création en 1960. Ce livre blanc explique le contexte de la redéfinition du Kilogramme et l'effet que ce changement aura sur le monde du pesage. Téléchargez le document et apprenez quelles mesures ont été prises jusqu'à présent et comment le changement sera mis en œuvre, ainsi que ses conséquences.
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Lisez les FAQ ci-dessous et découvrez, par exemple, quand la redéfinition aura lieu, ce qu'il adviendra de "l'ancien" kilogramme et quelles sont les conséquences pour le laboratoire ou le pesage industriel, en raison de la redéfinition de 1 kg.
1. Pourquoi utilisons-nous le mot « redéfinition » ?
Chaque unité de base du SI a une définition non ambiguë. La définition de l'unité kilogramme valable jusqu'en 2018 est basée sur la masse du kilogramme prototype international, IPK. Parce qu'un artefact est instable par nature, des travaux sont en cours pour remplacer la définition actuelle par quelque chose de plus stable, d'où le terme « redéfinition ».
2. Pourquoi la redéfinition du kilogramme est-elle nécessaire ?
La redéfinition du kilogramme est nécessaire pour plusieurs raisons. Les plus pratiques sont :
- La masse de l'IPK stockée à Paris n'est pas stable et il est impossible de quantifier cette instabilité.
- L'étalon primaire n'est disponible qu'au laboratoire du BIPM à Paris.
- Baser une unité de mesure globale sur un seul artefact est un gros risque (endommagement, perte).
- Des changements inconnus dans l'unité de masse influencent également l'ampère, la mole et la candela, qui jusqu'à présent dépendent du kilogramme.
La nouvelle définition est conçue pour surmonter tous ces problèmes.
3. Quels changements sont attendus pour les résultats de pesage ?
La valeur de la constante de Planck, à laquelle la nouvelle définition du kilogramme se rapportera, a été choisie de manière à ce qu'aucun changement dans l'unité de masse ne soit visible au moment de la redéfinition et que les résultats de pesée ne soient pas du tout affectés.
4. Dois-je réétalonner toutes mes balances pour me conformer à la nouvelle définition du kilogramme ?
Étant donné que la nouvelle définition du kilogramme ne modifiera pas la valeur de l'unité kilogramme, il n'est pas nécessaire de réétalonner les instruments de pesage tels que les balances.
5. Dois-je réétalonner tous mes poids pour me conformer à la nouvelle définition du kilogramme ?
Étant donné que la nouvelle définition ne modifiera pas la valeur de l'unité kilogramme, il n'est pas nécessaire de réétalonner les instruments de pesage tels que les poids.
6. Les coûts d'étalonnage vont-ils augmenter ?
La nouvelle définition du kilogramme n'aura aucun effet sur les étalonnages disponibles dans le commerce.
7. Puisqu'il n'existe pas de prototype international, le kilogramme sera-t-il toujours le même partout ?
Le Comité Consultatif pour la Masse (CCM) qui supervise la redéfinition s'assure que l'unité de masse est équivalente dans le monde entier par une série de comparaisons clés entre les laboratoires nationaux d'étalonnage.
8. Quels sont les avantages de redéfinir le kilogramme ?
Une redéfinition en termes de constante fondamentale présente deux avantages majeurs :
L'unité SI de masse sera parfaitement stable après la redéfinition du kilogramme et les changements dans les étalons de masse primaires (basés sur des artefacts) (y compris l'IPK) pourront être surveillés par rapport au kilogramme redéfini (via la balance du watt ou les expériences d'Avogadro).
La traçabilité n'a plus besoin d'être tirée de l'IPK et donc les laboratoires nationaux de métrologie peuvent (théoriquement) réaliser leurs propres échelles de masse à partir des expériences Kibble Balance (=Watt Balance) ou Avogadro
(Source: EURAMET).
9. Comment expliquer la nouvelle définition du kilogramme ?
Il est vrai que la nouvelle définition du kilogramme est bien plus abstraite que la simple utilisation d'un prototype de kilogramme comme définition. Une façon de l'expliquer est :
Lorsque la constante de Planck est fixée exactement à 6,626 070 15×10−34 s−1·m2·kg et que "s" et "m" sont déjà fixés, alors "kg" est également fixé. Ainsi, en utilisant la valeur mentionnée pour la constante de Planck, le kilogramme est défini.
10. Qu'adviendra-t-il de l'IPK ? Sera-t-il retiré ou y a-t-il des vérifications de référence en cours entre ces trois méthodes à l'avenir ?
Dès lors que la définition du kilogramme reposera sur un invariant de la nature au lieu d'un artefact matériel, il sera théoriquement possible de réaliser l'unité SI de masse en tout lieu, à tout moment et par n'importe qui. Ainsi, l'IPK sera fonctionnellement retiré en tant que définition, mais physiquement toujours utilisé dans les expériences en tant que norme de contrôle.
11. Quand aura lieu la redéfinition du kilogramme ?
En novembre 2018, la CGPM (Conférence générale des poids et mesures) devrait formellement adopter la nouvelle définition du kilogramme et elle sera mise en œuvre de manière pratique à partir du 20 mai 2019.
12. Comment la constante de Planck est-elle liée à un poids en pratique ?
Il existe deux expériences physiques en laboratoire pour réaliser le kilogramme en référence à la constante de Planck ; l'expérience de sphère XRCD (Avogadro) et l'expérience Watt Balance (Kibble Balance). Lorsque la valeur fixe de la constante de Planck est utilisée dans les calculs, à l'aide de ces expériences, la masse d'un corps physique peut être déterminée.
13. Des changements sont-ils attendus dans le pesage industriel ou de laboratoire en raison de la redéfinition du kilogramme ? Devons-nous adapter nos SOP ?
La redéfinition du kilogramme n'affecte que la réalisation de l'unité kilogramme qui est le tout début de la chaîne de traçabilité. Toutes les autres procédures d'étalonnage restent inchangées, telles que l'étalonnage des pièces de poids ou l'étalonnage des instruments de pesage comme les balances.
14. Les incertitudes d'étalonnage seront-elles les mêmes après la redéfinition du kilogramme ?
Lors de la conception de la nouvelle définition du kilogramme et des critères d'acceptation pour sa mise en œuvre, une attention particulière a été portée à ce qu'aucune augmentation significative de l'incertitude ne se produise le long de la chaîne d'étalonnage. S'il existe une certaine incertitude accrue au début de la chaîne de traçabilité, celle-ci sera prise en compte par les instituts nationaux de mesure, les incertitudes sur les certificats d'étalonnage des pièces de poids et des instruments de pesage ne seront pas affectées par la redéfinition.
15. Y a-t-il des inconvénients à redéfinir le kilogramme ?
À l'heure actuelle, il existe plusieurs problèmes non résolus avec la redéfinition potentielle du kilogramme. L'incertitude avec laquelle l'échelle de masse peut être réalisée passera de zéro (l'"incertitude" actuelle dans l'IPK) à 2E08 (l'incertitude cible pour les expériences de redéfinition). Cette augmentation de l'incertitude équivaut à 20 µg sur un étalon de masse du kilogramme.
Un autre problème est que les expériences de réalisation XRCD et Kibble Balance fonctionnent dans le vide, alors que l'échelle de masse actuelle est réalisée et diffusée dans l'air. Cette étape vide/air ajoutera une autre composante d'incertitude à la diffusion de l'unité car il est connu que le transfert vide/air des étalons de masse modifie leur valeur de masse.
Le défi pour les laboratoires nationaux de métrologie est de caractériser et de minimiser ces composants d'incertitude et autres afin d'assurer que la capacité de mesure soit la meilleure possible pour leurs clients d'étalonnage et soit affectée le moins possible.
(Adapté d'EURAMET).
16. Laquelle est la meilleure réalisation ? La sphère de silicium ou la balance du watt ?
Les deux expériences conviennent. En effet, c'était une condition pour la redéfinition que deux types d'expériences donnent des résultats cohérents. Les deux expériences sont considérées comme des moyens valables de mettre en œuvre la nouvelle définition du kilogramme.
17. J'utilise des balances homologuées "légales pour le commerce". Dois-je m'attendre à un changement par la redéfinition du kilogramme ?
Étant donné que la nouvelle définition du kilogramme n'est pas conçue pour changer l'unité du kilogramme, aucune action n'est nécessaire.
18. Si les réalisations du kilogramme sont effectuées indépendamment dans de nombreux laboratoires à travers le monde, comment pouvons-nous être sûrs qu'un kilogramme est le même partout ?
Cette question n'est pas spécifique au kilogramme : les instituts nationaux de métrologie participent régulièrement à des intercomparaisons pour s'assurer que toutes les unités de mesure sont globalement cohérentes. Dans le cas du kilogramme, un soin particulier a été apporté à la cohérence de la phase de démarrage de la nouvelle définition et de sa mise en œuvre.
19. N'y a-t-il que deux méthodes pour réaliser le kilogramme ?
La condition pour qu'une méthode réalise le kilogramme selon la nouvelle définition est qu'elle utilise les valeurs fixes des constantes naturelles du SI. À l'heure actuelle, deux méthodes sont connues pour répondre à cette exigence, il s'agit de la Kibble (Watt) Balance et de la méthode XRCD (Avogadro Sphere). Dans le futur, d'autres méthodes pourraient être développées, mais elles ne sont pas connues aujourd'hui.
20. Comment fonctionne la Balance Kibble?
Le Kibble Balance assimile expérimentalement la puissance mécanique et électrique (d'où le nom alternatif "Watt Balance"). Il fonctionne dans le vide et relie la masse d'un poids à la constante de Planck.
21. Comment fonctionne l'expérience XRCD ?
La base du XRCD (Xray Crystal Density) est une sphère de silicium monocristallin et monoisotopique. Sa masse est déterminée en calculant le nombre d'atomes dans cette sphère et en déterminant la masse de la sphère via des valeurs fixes de la constante de Planck et d'Avogadro et de la masse de l'électron.
22. Est-ce que seul un nombre limité de laboratoires conserveront ces méthodes dans leurs laboratoires ou est-il prévu que de nombreux organismes W&M les utilisent ?
Les 2 Balance Watt/Kibble et l'expérience Avogadro/XRCD nécessitent une quantité importante de ressources dans les laboratoires. Il est impossible de déterminer à l'avance combien de laboratoires décideront de maintenir leurs propres expériences et à quel niveau de qualité à l'avenir.
