Mise à jour le 19 Novembre 2018
« 26ème
CONFÉRENCE GÉNÉRALE DES POIDS ET MESURES (CGPM) »
Palais des Congrès de Versailles France
Du 13 au 16 Novembre 2018
Avec séance ouverte au public le 16 Novembre 2018
Photos : JC Bercu pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent
m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.
Voir les crédits des autres photos
Vidéos des conférences proposées sur :
https://www.youtube.com/watch?v=qA67T7FPBME
BREF COMPTE RENDU
La CGPM s’est donc tenue du 13 au 15 Novembre 2018 pour ses propres membres afin
d’expliquer la nécessité de changer les définitions de certaines unités
utilisées pas le système internationale (SI).
Ces séances n’étaient pas publiques.
La seule séance publique (open session en anglais) était le 16 Novembre à
laquelle Jean Claude Bercu a participé (avec JC Gavet) au nom de la SAF.
JCB a photographié presque toutes les slides et l’amphi ainsi que les moments
plus conviviaux comme les pauses café.
Qu’il en soit remercié !
À partir de toute cela et de la vidéo de la séance je bâtis un CR succinct sur
cette séance historique, révolutionnaire comme dirait un des intervenants.
Le Palais des Congrès de Versailles accueillait cette
26ème conférence du CGPM
afin d’y redéfinir un certain nombre d’unités utilisées par le système
International d’Unités, SI.
Quatre des sept unités de base du SI – à savoir
le kilogramme, l'ampère,
le kelvin et la mole – seront redéfinies en s'appuyant sur des constantes
de la nature ; les nouvelles définitions seront établies à partir des valeurs
numériques fixées :
·
de la constante de Planck (h),
·
de la charge élémentaire (e),
·
de la constante de Boltzmann (k) et
·
de la constante d'Avogadro (NA), respectivement.
De plus, les définitions des sept unités de base du SI seront toutes exprimées
de façon uniforme à l'aide d'une formulation dite « à constante explicite » et
des mises en pratique spécifiques seront élaborées afin d'expliquer comment
réaliser pratiquement la définition de chacune des unités de base.
Vue de l’intérieur du Palais des Congrès.
Le titre de la séance publique : reconsidérer la révision du SI.
·
Introduction par Sébastien Candel Président de l’Académie des
Sciences.
·
Progress towards a redefinition of the SI and report from the
CCU par le professeur J Ullrich
·
Achievements in the measurement of k and report from the CCT par
le Dr Yuning Duan.
·
Achievements with the quantum electrical effects and report
from the CCEM par Gert Rietveld du CIPM
·
Achievements in the measurement of h and report from the CCM
par Philippe Richard
·
Pause-café et début de la transmission vidéo.
·
The quantum Hall effect and the revised SI par Klaus von
Klitzing
·
The role of the Planck constant in physics par Jean-Philippe
Uzan
·
Optical atomic clocks – opening new perspectives on the quantum
world par Jun Ye
·
Measuring with fundamental constants; how the revised SI
will work par Bill Phillips
·
Vote sur la résolution A des 64 pays introduit par M Milton
·
INTRODUCTION PAR SÉBASTIEN CANDEL.
C’est Sébastien Candel, le Président de l’Académie des Sciences qui ouvre la
séance en introduisant l’évolution faite sur la définition des unités à partir
de l’époque de la Révolution Française, où le système décimal a été défini en
1799.
Les académiciens Jean Charles Bora, Marie Jean de Condorcet, Joseph Louis
Lagrange, Pierre Simon de Laplace et Gaspard Monge qui sont à l’origine de cette
définition du mètre à partir du quart du méridien terrestre.
Ce sont les mesures par triangulation de Jean Baptiste Delambre et Pierre
François Méchain qui après 7 ans de pénibles relevés dans des conditions
hasardeuses (la France est en guerre et en révolution) réussirent a effectuer
les relevés.
Cette conférence est fondamentale dans le sens où, un
changement de paradigme
doit nous mener à la définition des unités en fonction seulement des constantes
fondamentales de la physique.
Cela les rendra plus cohérentes avec la physique quantique et relativiste.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Historique du système métrique.
Un voyage
... de Dunkerque à Barcelone: L'aventure de Delambre et Méchain par le CLEA.
Delambre et Méchain : la mesure du mètre
Sur les aventures des scientifiques qui ont mené à la détermination du système
métrique, voir ma présentation (qui couvre un champ plus complet depuis
l’Antiquité) sur les
aventuriers de l’Astronomie.
PROGRESS TOWARDS A REDEFINITION OF THE SI AND REPORT FROM THE CCU PAR J.
ULLRICH.
Le professeur
Joachim
Ullrich est Vice-Président du CIPM (Comité International des Poids et
Mesures).
Ce comité comprend des sous-comités que nous rencontrerons aujourd’hui comme :
·
Le CCU : Comité Consultatif des Unités
·
Le CCT : Comité Consultatif de Thermométrie
·
Le CCM : Comité Consultatif pour la Masse et des grandeurs apparentées
Signalons que J Ullrich est aussi Président du fameux PTB (Physikalisch-Technische
Bundesanstalt).
Il explique comment on en est venu à vouloir redéfinir le SI.
Liens entre certaines constantes.
Le professeur Ullrich rappelle que la redéfinition du kilogramme avait déjà été
demandée en 2005, ors d’une réunion du CIPM.
Il aura fallu 13 ans d’attente et 7 meetings de la CCU pour enfin y arriver.
Les constantes servant à définir le nouveau SI.
Elles sont basées sur notre compréhension actuelle des lois physiques et
valables dans tout l’Univers.
Le monde des unités de mesure.
60 nations membres et
42 nations associés.
Suit une longue explication sur comment définir ces nouvelles constantes.
Ces formulations sont dites «
à constante explicite », c'est-à-dire « une définition dans laquelle l'unité
est définie indirectement en donnant explicitement une valeur exacte à une
constante fondamentale reconnue ».
La définition de la seconde à partir des transitions du Cs nous amène à une
précision de l’ordre de 2 10-16 (variation d’une seconde en 160
millions d’années !).
Concernant le kilo, deux méthodes existent.
|
|
Lier le kilo au nombre d’Avogadro (nombre d’atome dans une mole de
matière : 6,023 1023 !) ce qui reviendrait à compter un certain
nombre d’atomes (de Silicium, car très pur et réseau cristallin très
simple) pour atteindre un kilo. |
Lier le kilo à la constante de Planck de la mécanique quantique
(MQ). On chercherait à équilibrer sur une balance, la masse de 1Kg
dans le champ de gravité terrestre par une force issue d'un champ
magnétique délivré par un enroulement en cuivre lui même soumis à un
enroulement d'un supra conducteur. |
Ensuite comment introduire la constante de Boltzmann pour définir le Kelvin.
Ceci a amené le BIPM de redéfinir le logo du système SI.
Le nouveau est plus précis.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Linking the International System of Units to Fundamental Constants par Prof
J Ullrich.
Redefining the
Mole par le NIST
How to define the base units of the revised SI from seven constants with fixed
numerical values par R Davis
La définition du kilogramme pourrait changer dès 2018 (et devenir quantique)
ACHIEVEMENTS IN THE MEASUREMENT OF k AND REPORT FROM THE CCT PAR DR YUNING DUAN.
Le Dr Yuning Duan est Président du CCT (comité Consultatif de la Thermométrie)
et vice-directeur du NIM (National Institute of Metrology) de Chine.
Il nous parle de thermométrie pour les générations futures.
Ceci sous-entend la redéfinition du
Kelvin.
D’après l’article récent de Wikipedia :
La définition du kelvin change fondamentalement. Au lieu de se baser sur les
changements d'état de l’eau pour définir l’échelle, la recommandation propose de
se baser sur l'énergie équivalente comme donnée par l'équation de Boltzmann.
Définition actuelle : Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la
fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.
Définition proposée : Le kelvin, K, est l'unité thermodynamique de température ;
sa valeur est définie en fixant la valeur numérique de la
constante de
Boltzmann à exactement :
1,380 65 × 10−23
quand elle est exprimée
en s−2
m2 kg K−1,
ce qui correspond
à
des J K−1.
Le kelvin devient dépendant des définitions de la seconde, du mètre et du
kilogramme.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Consultative Committee for Thermometry
‐
CCT par Yuning Duan
Determination of k par Yuning Duan
ACHIEVEMENTS WITH THE QUANTUM ELECTRICAL EFFECTS AND REPORT FROM THE CCEM PAR
GERT RIETVELD.
Gert Rietveld est membre du CIPM (Comité International des Poids et Mesures) et
Président du CCEM (Comité Consultatif de l’Électricité et du Magnétisme). Il est
originaire des Pays Bas.
Il est chargé de redéfinir la
constante de Planck
h.
Cette constante est utilisée pour redéfinir le kilo.
Toujours d’après la même source :
La définition du kilogramme change fondamentalement ; la définition actuelle
définit le kilogramme comme étant la masse d'un kilogramme prototype, la
nouvelle définition le relie à l'équivalence en énergie d'un photon à travers la
constante de Planck.
Définition actuelle : Le kilogramme est la masse du prototype international du
kilogramme. Ce dernier, composé d'un alliage de platine et d'iridium (90 %-10
%), est conservé au Bureau international des poids et mesures à Sèvres, en
France.
Définition proposée : Le kilogramme, kg, est l'unité de masse ; sa valeur est
définie en fixant la valeur numérique de la constante de Planck à exactement
6,626 06 × 10−34
quand elle est exprimée
en s−1
m2 kg, ce qui correspond
à
des J s.
Une des conséquences est que le kilogramme devient dépendant des définitions de
la seconde et du mètre.
Ce qui nous amène à la
balance
de Kibble.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
The
principle of the Kibble balance par le BIPM
Electrical Units in the New SI: Saying Goodbye to the 1990 Values par G
Rietveld et al.
ACHIEVEMENTS IN THE MEASUREMENT OF h AND REPORT FROM THE CCM PAR PHILIPPE
RICHARD.
Le Dr Philippe Richard est président du CCM (Comité Consultatif pour la Masse et
des grandeurs apparentées)
Il présente le kilo actuel en signifiant : il est temps de changer sa
définition, car notamment :
·
Sa stabilité ne peut pas être vérifiée,
·
Il peut être endommagé
·
Sa contamination ne peut pas être surveillée
·
Il est actuellement unique !
Il repose donc sur cet artefact, le prototype international du kilogramme ou IPK
en anglais.
Sa relative invariabilité au cours des siècles est même incroyable, miraculeux.
La route vers la nouvelle définition depuis 2013.
|
|
Il explique aussi le chemin pour arriver à la détermination expérimentale de h.
Cette mesure fait appel à la détermination du nombre d’Avogadro qui emploie
notamment la technique de cristallographie par rayons X (XRCD : X Ray Cristal
Density measurement) d’une sphère de Silicium comme on voit sur la photo de
droite ci-dessus.
On peut aussi utiliser une balance du watt (ou de Kibble), qui convertit une
puissance mécanique en puissance électrique et vice-versa.
Pendant la pause, un modèle de balance de Kibble est exposé à côté d’une sphère
de Silicium pur.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Consultative Committee for Mass and Related Quantities (CCM) par le Dr Ph
Richard (2014).
On the
redefinition of the kilogram par le Dr Philippe RICHARD
Determination of the Avogadro constant by the XRCD method using a 28Si-enriched
sphere
Realization of the kilogram by the XRCD method
Precise
determination of the ratio h / m u : a way to link microscopic mass to the new
kilogram
Détermination de la constante de Planck au moyen d’une balance du watt par
Matthieu Thomas (thèse)
Kibble balances par le NPL
PAUSE CAFÉ.
Puis c’est la séance qui a donné lieu à une transmission vidéo et qui donc est
très bien documentée.
OUVERTURE DE LA SÉANCE FILMÉE PAR SÉBASTIEN CANDEL.
Il présente les interventions des prochaines heures :
"The
quantum Hall effect and the revised SI"
Klaus von Klitzing
(Nobel laureate, Max Planck Institute, Stuttgart)
"The role of the Planck constant in physics"
Jean-Philippe Uzan (Centre national de la recherche scientifique (CNRS), Paris)
"Optical atomic clocks – opening new perspectives on the
quantum world"
Jun Ye
(JILA, Boulder)
"Measuring with fundamental constants; how the revised SI will work"
Bill Phillips (Nobel laureate, NIST, Gaithersburg)
Comme tout est expliqué dans la vidéo, je serais bref.
THE QUANTUM HALL EFFECT AND THE REVISED SI PAR LE PROFESSEUR KLAUS VON KLITZING
Klaus von
Klitzling a reçu le
Prix Nobel de Physique en 1985 pour la découverte de l’effet Hall
quantique.
Il est membre du MPI (Maw Planck Institute)
Il encourage l’adoption de la présentation de la proposition A (Draft A) qui
sera proposée aux votes des membres à la fin de la séance et qui devrait aboutir
à la modification des unités.
La vision de Max Planck en 1900 deviendrait enfin réelle.
La CGPM propose qu’à partir du 20 Mai 2019, le système international des unités
soit défini à partir des constantes suivantes :
S’en suit la liste des constantes : voir slide ci-contre.
Toutes les unités pourront être exprimées à partir de 7 constantes de base.
Ce sera la plus grande révolution en métrologie depuis la révolution française !
Il introduit aussi
le nouveau logo du SI que l’on a vu plus haut.
Il rappelle qu’il y a maintenant 8 ans on avait déjà envisagé une telle
modification.
L’effet Hall quantique joue un rôle très important en métrologie car toutes les
calibrations de résistances électriques sont basées sur cet effet. À cette
occasion on introduit la constante RK (constante de von Klitzling qui
vaut h/e2 approx 25,8
kOhm))
Cet effet doit aider à trouver une nouvelle définition pour l’Ampère (qui était
jusqu’à présent l’intensité d’un courant passant entre deux fils séparés de 1
mètre).
L’Ampère serait basé maintenant sur le volt et l’Ohm à partir de l’effet Hall
quantique.
La décision d’aujourd’hui est aussi de fixer la valeur de cette constante RK,
adoptée en 1988 et qui devient
RK = 25812,807 Ohm. =
h /e2
On a même fixé encore plus de décimales, voir la slide ci-contre.
L’effet Hall quantique est aussi utilisé pour redéfinir le kilogramme au travers
de la balance Kibble.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Quantum Hall Effect: Discovery and Application par K von Klitzling.
Kilogram, Planck Units, and Quantum Hall Effect par Alexander Penin
Karlsruhe.
Un étalon quantique pour l'ampère, article de Pour la Science.
RÔLE DE LA CONSTANTE DE PLANCK EN PHYSIQUE PAR JP UZAN
Jean Philippe Uzan est cosmologiste et Directeur de recherches au CNRS,
Il évoque le rôle de la
constante de Planck
(h) en physique.
Il cite le célèbre James Clerk Maxwell qui disait déjà en 1870 :
« If, then, we wish to obtain standards of length, time and mass which shall be
absolutely permanent, we must seek them not in the dimensions, or the motion, or
the mass of our planet, but in the wavelength, the period of vibration, and the
absolute mass of these imperishable and unalterable and perfectly similar
molecules.”
Cette définition pose quelques questions concernant les constantes comme :
·
Combien de constantes ?
·
Sont-elles du même ordre ?
·
Sont-elles vraiment constantes ?
·
Etc..
Il y a deux sortes de constantes :
·
Les constantes sans dimension comme par exemple le rapport masse proton/ masse
électro
·
Les constantes avec dimension comme
Certaines constantes peuvent être universelles (non restreinte à un seul
phénomène physique) ou fondamentales (qui ne peuvent pas être exprimées en
fonction d’autres constantes).
Le 14 Décembre
1900 Max Planck présente à la Société Allemande de Physique son hypothèse
sur la quantification de l’énergie.
Le rayonnement d’u corps noir serait émis par petits paquets élémentaires
d’énergie, les quantas.
Chaque paquet aurait une valeur de base égale à une constante (qui va devenir la
constante de Planck) par la fréquence.
Ceci permet à Albert Einstein d’expliquer l’effet photo électrique.
Progressivement on aboutit à de nombreuses constantes qui vont servir à définir
certaines unités.
|
Unité de : |
|
Entre dans la définition de : |
c |
Vitesse |
Relativité |
m |
h |
Action |
Quantum |
kg |
e |
Charge |
Électromagnétisme |
A |
kB |
Entropie |
|
K |
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Weighing the Kilogram article de The American Scientist
On the proposed re‐definition
of the SI par Martin Milton Director, BIPM
Les constantes
varient-elles ? Par JP UZAN, article de Pour la Science.
OPTICAL ATOMIC CLOCKS – OPENING NEW PERSPECTIVES ON THE QUANTUM WORLD PAR JUN YE
Le Dr Jun Ye est membre du
NIST (National Institute of Standards and Technology), du
JILA (Joint Institute for Laboratory
Astrophysic) situé à Boulder au Colorado, il est membre aussi de cette
Université.
Sa spécialité : les lasers.
Il nous parle de Nouvelle perspective sur les horloges atomiques.
Ces horloges optiques permettront de définir la seconde en termes de fréquences
et non plus d’oscillations d’atomes (de Cs).
Les lasers sont de plus en plus fiables.
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Optical atomic clocks par Jun Ye et al
Building a Better Atomic Clock by Benjamin J. Bloom thèse sous la direction
du Dr Jun Ye.
Avec de meilleures horloges atomiques les scientifiques se préparent à redéfinir
la seconde
Towards a redefinition of the SI second by optical clocks: Achievements and
challenges par le PTB
Conférence « La seconde : vers une redéfinition ? » sur YouTube
Horloges atomiques et Temps : CR conf VEGA de N Dimarcq du 25 Nov 2017
Manipulation d’atomes par la Lumière, de Claude Cohen Tannoudji
MEASURING WITH FUNDAMENTAL CONSTANTS; HOW THE REVISED SI WILL WORK PAR BILL
PHILLIPS
William D Phillips
(PhD du MIT) est physicien au NIST, il a obtenu (notamment avec C
CohenTannoudji) le Prix
Nobel de Physique en 1997 pour le développement du piégeage des atomes
froids avec des lasers.
Le moins que l’on puisse dire, c’est qu’il a fait vibrer la salle et a soutenu
de nombreux applaudissements.
D’un caractère joyeux, il décrit ce futur jour du 20 Mai 2019 comme une nouvelle
révolution.
En parodiant Stephen Hawking, il nous parle d’une brève histoire de la longueur,
en revisitant les anciennes unités depuis l’antiquité, qui faisaient appel au
corps humain (Pied, Yard, fathom…).
Plus tard on pensa à fixer certaines longueurs à partir d’un seul être humain :
le chef ou le Pharaon en utilisant son avant-bras (coudée ou cubit en anglais).
La coudée égyptienne était ré étalonnée tous les mois, elle servit à établir les
plans des pyramides.
Puis vint la révolution du mètre à l’époque de la Révolution Française. À tous
les temps à tous les peuples !
Le mètre devint le standard des unités de longueurs, sa valeur était définie par
deux marques sur un objet de référence, mais évidemment, ce n’était pas très
précis.
Il a fallu que récemment on passe à autre chose pour définir le mètre. On l’a
défini par rapport à la vitesse de la lumière, c’est la longueur parcourue
pendant 1/299 792 458 de seconde.
Il dépendait de la définition de la seconde ! Celle-ci dépendant d’un certain
nombre de transition du Cs.
Cela impliquait de pouvoir mesurer la fréquence de la lumière émise et a abouti
au Prix Nobel de Physique 2005.
La définition du kilogramme va devenir aussi belle brillante que pour le mètre
maintenant. Pourquoi ?
B Phillips commence l’historique de la définition des masses au cours des
siècles, depuis les masses étalons des Babyloniens jusqu’à la masse d’un litre
d’eau de la révolution française, qui s’est transformé en un artefact en platine
iridié bien connu…
Jusqu’à maintenant le kilo est défini comme la masse d’un objet du 18ème
siècle, c’est peu scientifique et risible comme nous dit le conférencier !
Surtout que sa masse change (de quelques dizaines de microgrammes, ce n’est pas
énorme je l’admets, mais ce n’est pas satisfaisant).
Il faut corriger cette situation scandaleuse !
Et pour cela on va utiliser la même approche que pour le mètre.
Pour le mètre on avait utilisé la vitesse de la lumière comme constante, quelle
constante allons-nous employer pour le kilo ?
Comme on le voit sur cette slide, c’est la constante de Planck qui est à la
manœuvre.
Pour cela on va utiliser la balance de Kibble dont on a déjà parlé.
Sa précision : 10-8.
On peut voir le principe de cette balance sur cette
vidéo YouTube. À consulter pour
comprendre.
Le 20 Mai 2019 (anniversaire de la Convention du mètre de 1875) nous devrions
avoir cette deuxième révolution.
Nous serons enfin libérés de tous les artefacts qui définissaient les unités
standard ça ne dépendra plus que des constantes de la Nature.
Applaudissements !
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CE SUJET :
Kilogram:
The Kibble Balance du NIST
The
watt balance: determination of the Planck constant and redefinition of the
kilogram par Michael Stock BIPM
Time, Einstein, and the coolest stuff in the universe presentation pdf par B
Phillips. Très plaisant et formateur.
Ultracold Atoms and Precise Time Standards presentation pdf de B Phillips
Quantum optics, laser cooling, and the
joy of science outreach, video YouTube.
Sa conférence pour le Prix Nobel.
VOTE SUR LA RÉSOLUTION A DES 64 PAYS INTRODUIT PAR M MILTON
On rappelle que la résolution A (draft A) est justement la redéfinition des
toutes ces unités qui ont été discutées tout au long de la journée.
C’est Martin Milton, directeur du BIPM qui appelle les pays un à un, et le
comptage est formel,
c’est une immense majorité qui vote pour !
Applaudissements nourris, la science gagne !
POUR ALLER PLUS LOIN SUR CETTE RÉUNION EN GÉNÉRAL :
Nouvelles définitions du Système international d'unités datées du 17 Nov
2018
Le
programme des 4 jours, le programme de la
session
ouverte au public.
L’info presse
très complète.
La définition du kilogramme vient de changer par 20 minutes
Kilogramme, ampère, kelvin : le Big Bang des unités de mesure par Sciences
et Avenir.
On the revision of the international system of units
Kilogramme, ampère, kelvin... Les unités de mesure se modernisent article de
La Croix
Une nouvelle définition du kilogramme grâce à la mécanique quantique par
Trust my Science
Bon ciel à tous !
Jean Pierre Martin . Commission de Cosmologie de la SAF.
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