C’est officiel maintenant. La vitesse de la lumière est exactement de 299 762 458 mètres par seconde. Il n’y a aucune ambiguïté à ce sujet, aucune de ces »barres d’erreur » avec lesquelles les scientifiques indiquent les incertitudes inhérentes à chaque mesure. La valeur de cette constante naturelle fondamentale a été fixée arbitrairement par un fiat international.
Pour autant, en adoptant une valeur fixe pour la vitesse de la lumière, la Conférence générale des poids et mesures n’essaie pas de devancer la nature. Au contraire, le 20 octobre, elle a donné au monde un étalon de longueur plus précis, dans lequel le mètre est désormais dérivé de la couleur d’un rayon laser avec l’aide de la vitesse de la lumière convenue.
En faisant cela, la conférence a fait un pas de géant vers la simplification de notre système de poids et mesures afin qu’au moins certaines des unités de base soient basées directement sur le temps.
Le mètre est maintenant officiellement défini comme la distance parcourue par la lumière, dans le vide, dans l’espace de temps incroyablement court d’une seconde divisée par 299 762 458. Ainsi, les unités de longueur utilisées pour décrire la hauteur d’une montagne ou la portée de votre avant-bras sont directement liées à la seconde. Un jour, le kilogramme, par exemple, pourrait également être basé sur le temps.
Les astronomes ont depuis longtemps l’habitude d’utiliser le temps pour définir une unité de longueur avec l’aide de la vitesse de la lumière. L’année-lumière, par laquelle ils précisent la distance à une étoile, est la distance parcourue par la lumière en un an. Mais ce n’est pas le cas jusqu’à présent pour les unités de base standard (comme le mètre, le kilogramme, la seconde ou l’ampère) qui, par accord international, sous-tendent tous les autres systèmes de mesure. Même l’année-lumière est référencée en fin de compte au mètre standard.
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Jusqu’à présent, cette norme était essentiellement une longueur. C’était autrefois littéralement la distance entre deux marques sur une barre de platine-iridium conservée par le Bureau international des poids et mesures à Paris. En 1960, cependant, cette mesure était devenue beaucoup trop grossière pour les mesures de précision des physiciens et des astronomes. Le mètre a donc été redéfini pour correspondre à 1 650 763,73 longueurs d’onde de la lumière rouge-orange émise par une lampe au krypton-86 (le krypton-86 étant l’une des différentes formes de cet élément). Maintenant, cette norme est également devenue trop imprécise pour les besoins de la science.
Cette recherche d’une précision toujours plus grande est ce qui a poussé les métrologues à baser l’unité de longueur sur la seconde plutôt que sur une distance physique réelle. La principale raison de cette décision est que la seconde est l’unité de base la plus précise, explique Kenneth W. Evenson, du National Bureau of Standards (NBS) des États-Unis. Elle peut être mesurée à mieux qu’une partie sur 10 000 milliards. Le compteur à krypton était précis à environ 4 parties par milliard.
L’outil clé pour relier le compteur à la seconde est le laser. La longueur d’onde de la lumière est liée mathématiquement à sa fréquence – la longueur d’onde est juste la vitesse de la lumière divisée par la fréquence. Et la fréquence, selon Evenson, peut être mesurée de 1 000 à 10 000 fois plus précisément que la longueur d’onde.
Un laser fournit le type de source de lumière pure et stable nécessaire à ce travail de précision. Ensuite, à l’aide d’un miroir, on peut faire interagir cette lumière avec elle-même pour produire un motif caractéristique de lignes claires et sombres appelées franges. L’espacement de ces franges est directement lié à la longueur d’onde de la lumière. Et puisque la longueur d’onde est calculée avec précision à partir de la fréquence de la lumière, un métrologue n’a qu’à compter le nombre approprié de franges – c’est-à-dire le nombre approprié de longueurs d’onde – pour poser un compteur standard, explique Evenson.
Puisque la mesure de la fréquence est directement liée à la mesure du temps, l’exactitude des mesures de fréquence, et donc la précision du compteur étalon, est maintenant directement liée à la précision de l’horloge atomique, le plus précis de tous les étalons actuels de poids et mesures.
Le travail d’Evenson et de ses collègues du laboratoire NBS de Boulder, Colo…, ont contribué à encourager la Conférence générale des poids et mesures à adopter la nouvelle définition du mètre. Selon lui, le compteur standard est déjà dix fois plus précis que lorsqu’il était basé sur la longueur d’onde de la lumière krypton. Il ajoute qu’il ne devrait pas y avoir beaucoup de difficultés à obtenir une autre amélioration décuplée de la précision.
Mais qu’en est-il des autres unités ? Est-il réaliste d’essayer de baser le kilogramme sur des mesures de temps, par exemple, maintenant que cela a été fait pour le mètre ? Evenson dit qu’il ne peut pas imaginer comment le faire pour les degrés de température ou les ampères de courant électrique. Mais il pense qu’il serait possible de le faire pour le kilogramme en mesurant la distance entre les atomes dans les cristaux de silicium. Si le nombre d’atomes dans un volume standard d’un tel cristal pouvait être mesuré avec précision, cela pourrait être un moyen de définir la masse (c’est-à-dire le kilogramme) en termes de longueur. Ainsi, selon Evenson, avec le mètre et le kilogramme liés à la seconde, »on pourrait faire un assez bon travail de réduction du nombre d’unités de base en termes de seconde ».