La balance de Kibble

La balance de Kibble, aussi connu comme la balance de watt, mesure la quantité d'électricité requise pour faire contrepoids à une masse suspendue dans un champ magnétique. La différence entre cette façon de mesurer la masse et l'utilisation d'eau, par exemple, est le lien qui unit la balance de Kibble et les constantes universelles, c'est-à-dire les principes fondamentaux expliquant le fonctionnement de l'univers (la constante de Planck, dans ce cas précis), ce qui permet d'éliminer les erreurs comme celles résultant des conditions atmosphériques et d'autres facteurs environnementaux.

À titre de comparaison, une balance ordinaire (comme celle que vous avez dans la salle de bain) mesure une masse inconnue à partir d'une balance que l'on espère calibrée avec précision.

En quoi est-ce important

Aussi étrange que cela puisse paraître, l'étalon dont on se sert actuellement partout dans le monde pour établir le poids de la moindre chose est un cylindre de métal gardé dans une chambre-forte en banlieue de Paris. Le petit cylindre en alliage de platine-iridium – d'un peu plus de 39 millimètres de hauteur et d'un diamètre identique – est le prototype international du kilogramme (PIK) (en anglais seulement). Il est soigneusement conservé à l'abri de l'air, dans une triple cloche de verre, afin que la poussière ou autre dommage n'en altère pas la masse. On ne l'a retiré de sa prison transparente qu'à quatre reprises depuis sa désignation en 1889, pour comparer l'exactitude de la demi-douzaine de copies officielles qui ont été produites.

Les scientifiques sont de plus en plus préoccupés par l'accessibilité et la stabilité à plus long terme du PIK, car sa masse n'est pas facilement reproductible et évolue graduellement avec le temps. La constante de Planck (h), une des trois constantes fondamentales utilisées dans l'expérience de la balance de Kibble, est la seule dont on n'a pas encore défini la valeur. Or, la balance de Kibble permet d'obtenir une mesure exacte de cette constante universelle, ce qui mènera à la redéfinition du kilogramme.

Qui est Bryan Kibble

Bryan Kibble (1938-2016) a travaillé comme physicien-expérimentateur au National Physical Laboratory (NPL) du Royaume-Uni de 1967 à 1998, avant de devenir membre attitré de cet organisme en 1985, en hommage à ses réalisations. Il a concouru à refaçonner le Système international d'unités (SI), mais est surtout connu pour avoir créé la balance du watt, une des approches envisagées pour redéfinir le kilogramme.

L'histoire de la balance de Kibble

Avant la balance de Kibble, il y a eu la balance de courant, dont on se servait pour mesurer l'ampère, l'unité internationale d'intensité du courant électrique. Les mesures réalisées avec la balance de courant manquaient cependant de précision, car l'équipement lui-même était difficile à mesurer. Par exemple, il était presque impossible d'établir avec exactitude la position des fils dans la bobine de l'appareil.

Au début des années 1970, Bryan Kibble a proposé une nouvelle méthode qui aboutirait à une mesure très précise de l'ampère. Son projet s'est concrétisé en 1978 avec la fabrication de la première balance de Kibble.

Au cours des dix années qui ont suivi, cette balance a servi à effectuer les mesures qui ont mené, en 1990, à l'établissement de la valeur acceptée des constantes de von Klitzing et de Josephson, désormais appliquées partout dans le monde pour étalonner la tension et la résistance.

En 1990, Bryan Kibble et Ian Robinson ont inventé la balance de Kibble Mark II, qui utilisait une bobine circulaire et fonctionnait sous vide.

C'est en 2008 que le CNRC a repris le projet de la balance MKII en vue de trouver une façon indépendante d'étalonner le kilogramme. On s'attendait à rencontrer de sérieuses difficultés, mais puisqu'il comptait dans ses rangs toute une gamme d'experts, le CNRC était le mieux placé pour mener un tel projet à bien.

Les suggestions et les connaissances d'Ian Robinson ont énormément contribué au succès du CNRC. Les chercheurs Wood et Sanchez ont participé avec lui à l'installation de la balance afin de mieux en comprendre le fonctionnement.

En 2009, le CNRC a entrepris de moderniser l'édifice M34 où devait se dérouler l'expérience sur la balance de Kibble. L'instrument proprement dit y a été accueilli en septembre de la même année. Néanmoins, il a fallu attendre la fin de 2011 pour que tout soit érigé, assemblé, évalué et étalonné et que les logiciels servant d'interface avec l'appareil soient développés.

En 2012, le CNRC a effectué un relevé à titre d'essai. L'année entière a été consacrée à la correction d'une erreur systémique majeure : celle attribuable à l'échange de masse.

L'année 2013 nous a donné le temps et la chance d'améliorer la modélisation de l'alignement de la balance de Kibble, mais aussi les mesures de la gravité et le profilage. À la fin de l'année, quatre mesures de la constante de Planck avaient été prises et s'étaient révélées être les plus précises jamais signalées, quelle que soit la technique antérieurement utilisée.

Des améliorations continues apportées à l'instrument au cours des deux années subséquentes, soit jusqu'à ce qu'à la fin de 2016, ont mené à trois nouvelles déterminations de la constante de Planck, qui se sont avérées à tour de rôle les plus précises jamais obtenues, indépendamment de la technique employée. À la recommandation du Comité international des poids et mesures (CIPM), les projets sur la balance du watt ont été rebaptisés « projets sur la balance de Kibble », en hommage à feu Bryan Kibble.

En avril 2017, le Committee on Data for Science and Technology (CODATA) a inclus la valeur de la constante de Planck établie par le CNRC à la correction spéciale visant à fixer la valeur de cette constante en prévision de la redéfinition du SI. En effet, la valeur calculée par le CNRC est celle qui présente le moins d'incertitude et qui a le plus de « poids » dans l'établissement de la valeur définitive de la constante de Planck. Si elle reçoit la sanction finale en novembre 2018, la valeur de la constante de Planck sera fixée à jamais.

Et ensuite

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