aan de rand van Parijs, acht meter onder de grond in een kluis met klimaatbeheersing, bevindt zich een 143 jaar oude cilinder van platina legering. Hij staat slechts 39 mm hoog en is nooit aangeraakt door menselijke handen. Als een delicate Russische pop is de cilinder gekooid in drie geneste glazen klokken in een kamer die alleen toegankelijk is met drie sleutels bewaard door drie verschillende mensen. Rondom het mysterieuze object bevinden zich “de getuigen”: zes “identieke” cilinders die uit dezelfde platina legering zijn gegoten.hoewel de bewaringsinspanningen vergelijkbaar zijn met die van de Lijkwade van Turijn, is de cilinder geen heilig religieus object. Het is de internationale prototype Kilogram (IPK), de enige echte kilogram waartegen alle andere worden gemeten. Gehuisvest in het Pavillon de Breteuil – de thuisbasis van het Internationaal Bureau voor maten en gewichten (BIPM) – zal de IPK binnenkort zijn unieke status verliezen en een overblijfsel van een vervlogen tijdperk worden. Het zal dan net zo schilderachtig zijn als de International Prototype meter (IPM) – een Platinum alloy bar ook gehuisvest op de BIPM – die tot 1960 de officiële meter ter wereld was.

Op 16 November 2018 komen metrologen en beleidsmakers uit 60 landen over de hele wereld bijeen op de Algemene Conferentie over maten en gewichten (CGPM) in Versailles, Frankrijk. Niets ongewoons daar, want de bijeenkomst komt eens in de vier jaar bijeen om budgetten en kwesties in metrologie te bespreken. Maar deze ontmoeting zal speciaal zijn. De Lid-Staten zullen stemmen over de vraag of zij de meest ingrijpende wijziging van het internationale stelsel van eenheden (Système International of SI) sinds de oprichting ervan in 1960 zullen doorvoeren. Het is een verandering die nieuwe definities van de kelvin, ampère en mol zal bevatten, maar misschien wel het belangrijkst de kilogram.

elke lidstaat brengt zijn stem uit in een proces dat live online wordt gestreamd. Als de verandering wordt bekrachtigd (en alle tekenen zijn dat het zal zijn) zal het evenement het einde markeren van het baseren van eenheden op objecten – een praktijk die millennia teruggaat. Het zal ook eindelijk een wens vervullen die voor het eerst werd geuit door James Clerk Maxwell, die voorspelde dat meetnormen op de een of andere manier zouden kunnen worden gedefinieerd door onveranderlijke constanten van de natuur.tijdens een bijeenkomst van de British Association for the Advancement of Science in Liverpool in 1870 zei Maxwell tegen de Afgevaardigden: “als we normen willen verkrijgen voor lengte, tijd en massa die absoluut permanent zullen zijn, moeten we ze niet zoeken in de dimensies, of de beweging, of de massa van onze planeet, maar in de Golflengte, de periode van trilling, en de absolute massa van deze onvergankelijke en onveranderlijke en volkomen gelijkende moleculen.”

met insiders die geen aanwijzing zien van een negatieve uitkomst op de BIPM vergadering deze maand, is het veilig om aan te nemen dat de resolutie om de SI te hervormen zonder tegenstand zal passeren en Maxwell ‘ s wens voor “absoluut permanente” normen zal worden gerealiseerd. Het nieuwe SI zal dan officieel van kracht worden op 20 Mei 2019, precies een dozijn (144) jaar na het eerste internationale verdrag inzake meeteenheden – de Meterconventie – dat op dezelfde dag in 1875 werd ondertekend. Maar waarom is het zo belangrijk dat eenheden gebaseerd zijn op constanten van de natuur?

eenheden zijn een hoofdbestanddeel van de samenleving sinds ten minste de tijd van de oude Egyptenaren. Ze gebruikten verschillende delen van het menselijk lichaam of objecten in hun omgeving als schalen om dingen te meten. Toch kunnen deze normen van plaats tot plaats enorm verschillen. Voor natuurfilosofen in het 17e – en 18e-eeuwse Europa maakte de eenheidsvariabiliteit – met name in lengte en massa – het bijna onmogelijk om resultaten voor hetzelfde fysische fenomeen te vergelijken als het op verschillende plaatsen was gemeten.verschillende pogingen werden ondernomen om een universele maat te creëren en in 1799 introduceerde Frankrijk het metrieke systeem, gebaseerd op twee eenheden – de meter en de kilogram. Deze twee platina artefacten, bekend als de meter van de archieven en de Kilogram van de archieven, werden opgeslagen bij de Archives Nationales in Parijs om de eenheden juridisch en praktisch te definiëren. Deze normen stonden 90 jaar, totdat ze werden vervangen door de IPM en IPK, die fysiek moeilijker en beter ontworpen waren.

Universal thinking

SI eenheden zijn verstrengeld geraakt in de wetenschap. Van de energiebepalende joule tot de katal voor het meten van katalytische activiteit, Alle 29 genoemde SI-eenheden kunnen worden gedefinieerd door een combinatie van slechts zeven basiseenheden: de tweede, meter, kilogram, ampère, kelvin, Mol en candela. Maar toen de wetenschap in de 20e eeuw steeds preciezer werd, ontstond er een nieuw probleem. Elke eenheid gebaseerd op iets – een object, experiment of fenomeen – dat niet universeel is, zal onstabiel zijn.

overweeg de tweede. Het is historisch verbonden met de omwenteling van de aarde, die wordt gedefinieerd als het nemen van 24 uur, waar een uur is 60 minuten, en een minuut is 60 seconden. Maar wat gebeurt er als de aarde langzamer begint te draaien, zoals ze doet, al is het maar een beetje? Een dag zal langer zijn, wat betekent dat een tweede ook in reële termen langer zal zijn. Het betekent dat een auto die 30 km/u registreert eigenlijk een beetje langzamer rijdt, een 30 W-lamp een beetje dimmer zal zijn en, nog absurder, het universum in een ander tempo zal uitdijen.

Als echter het begrip en de duur van een seconde behouden blijven, maar de rotatie van de aarde uit de definitie wordt verwijderd en wordt vervangen door iets dat nooit verandert waar en wanneer het in het heelal wordt gemeten, wordt de tweede stabiel. Dit gebeurde in 1967, toen de tweede werd herdefinieerd als 9,192,631,770 keer de periode van de straling die overeenkomt met de overgang tussen de twee hyperfijne niveaus van de grondtoestand van het cesium-133 atoom, Δν (Zie “a brief history of time-keeping” door Helen Margolis).

Later, in 1983, werd de meter ook opnieuw gedefinieerd als de lengte van het pad dat door licht in vacuüm werd afgelegd gedurende een tijdsinterval van 1/299,792,458 seconden. De voortreffelijke precisie waarmee wetenschappers sindsdien tijd en afstand hebben kunnen meten, heeft de samenleving ten goede gekomen, niet in de laatste plaats door te leiden tot satellietgebaseerde positioneringssystemen, met name GPS.

Planck te hulp

ondanks het feit dat hij 143 jaar lang de maatschappij goed heeft gediend, is het definiëren van de kilogram in termen van een enkel object een inherent onstabiel begrip. Dat komt omdat als de IPK lichter of zwaarder wordt, zelfs met een kleine hoeveelheid, de massa van het universum uitgedrukt in kilogram ook verandert – een gekke stelling. Nogal verontrustend, de IPK is aan het veranderen. Wanneer metrologen het in 1988-1991 opmeten, had de IPK gemiddeld een massa van ongeveer 50 µg minder dan de zes getuigen. Per definitie betekent dit dat de getuigen op de een of andere manier een kleine hoeveelheid massa hadden opgedaan, misschien door het absorberen van luchtmoleculen. Maar waarschijnlijker-gezien het feit dat veel nationale exemplaren van de kilogram ook massa bleken te winnen-is dat de IPK massa had verloren. Of misschien hadden ze allemaal massa gewonnen of verloren, gewoon in verschillende snelheden.

metrologen zagen geen verdere afwijking tussen de IPK en de getuigen van 1991 tot 2014, de laatste keer dat metingen werden gedaan. Maar het feit dat er geen drift was betekende niet dat de massa van de IPK of de getuigen niet was veranderd. Ze kunnen gewoon hebben verloren of het verkrijgen van massa in tandem. En dat is het probleem: er is geen manier om het te zeggen, want massa is altijd gekalibreerd tegen de IPK.

“met de herziene SI hoeven we ons hier geen zorgen over te maken”, legt Richard Davis uit, een voormalig hoofd van de BIPM ‘ s mass division die nu consultant is voor het bureau. In plaats van te worden gedefinieerd door de massa van een cilinder van metaal, zal in de nieuwe SI De kilogram worden gebaseerd op een fundamentele constante van de kwantumfysica: de constante van Planck.

genoemd naar Max Planck, die het idee ontwikkelde dat energie komt in kleine pakketten genaamd quanta, de constante van Planck, h, relateert de energie van een kwantum van elektromagnetische straling aan zijn frequentie door de beroemde Formule E = hv. De constante van Planck is op zijn beurt gekoppeld aan massa via Einsteins E = mc2. Momenteel heeft h een gemeten waarde van ongeveer 6.62607 × 10-34 m2 kg s-1, maar metrologen willen nu zijn waarde in steen vastleggen, met de kilogram gedefinieerd in termen van deze waarde.

Het zal daarom vaarwel zijn aan de IPK, dat een fysiek onstabiel object is, en vaarwel aan de onzekerheid in de waarde van Planck ‘ s constante. “Na de herdefinitie wordt de constante van Planck op een waarde gefixeerd, terwijl de onzekerheid beter wordt afgewogen tegen de massa van de IPK”, zegt Stephan Schlamminger, een metroloog van het National Institute of Standards and Technology, US. “En met een vaste Plankconstante kunnen betere apparaten een kilogram steeds nauwkeuriger realiseren.”

Watt bedoelt u

om op de rechtervoet te beginnen, is het belangrijk dat de waarde waarop de constante van Planck is gefixeerd zo nauwkeurig wordt gemeten als momenteel mogelijk is. Deze verantwoordelijkheid berust op metingen van twee zeer verschillende soorten experimenten. De eerste daarvan heet een Brokkenbalans, voorheen een Watt-balans genoemd, maar nu omgedoopt ter ere van de uitvinder Bryan brokken van het National Physical Laboratory van het Verenigd Koninkrijk, die in 2016 overleed. Momenteel beschikken alleen Frankrijk, Canada en de VS over Brokkenbalansen die de metingen kunnen verrichten die nodig zijn om de constante van Planck vast te stellen. Echter, vele anderen werken aan het opbouwen van hun eigen evenwicht. Net als een hi-tech set weegschalen, gebruikt de Brobble balance elektromagnetische krachten die worden geleverd door een draadspoel ondergedompeld in een magnetisch veld om een kilogram massa in evenwicht te brengen. De apparatuur laat metrologen nauwkeurige waarden van stroom en spanning nemen, waaruit de constante van Planck kan worden afgeleid (zie kader hieronder).

The Brobble balance

Wat is het? Kibbel (of watt) evenwicht bestaaatt uit cirkelvormige, horizontale rol van de bedrading van de lengte, L, hingen van een arm van de balans. De spoel wordt geplaatst in een sterk magnetisch veld, B, en een elektrische stroom, I, wordt doorgegeven door het genereren van een kracht, F = BIL, die kan worden aangepast aan het gewicht van een massa geplaatst op dezelfde arm van de balans (mg). De massa wordt dan gegeven door m = BIL / g.

Wat is het probleem? Hoewel ik nauwkeurig kan worden gemeten, is het moeilijk om hetzelfde te doen voor B en L.

dus wat is de oplossing? Metrologen verwijderen de massa en verplaatsen de spoel met snelheid u in het magnetische veld om een spanning V = BLu te genereren. Het apparaat wordt een wattbalans genoemd omdat, door de twee vergelijkingen te herschikken, elektrisch vermogen (VI) in evenwicht wordt gebracht door mechanisch vermogen (mgu). Met andere woorden, m = VI/gu. Aangezien u gemakkelijk te meten is en g (de versnelling door zwaartekracht) bekend is, zijn de problemen met het meten van B en L verdwenen.

maar wat is de link met de constante van Planck, h? Dat is het slimme deel. De stroom wordt bepaald door deze door een weerstand te laten lopen en het Josephson-effect te gebruiken om de resulterende spanningsdaling te meten. Dit effect beschrijft het feit dat als twee supergeleiders worden gescheiden door een dunne isolator, paren van elektronen in elke laag paar zodat microgolfstraling van frequentie, f, creëert een spanning over de laag van V = hf/2e, waarbij e is de lading op het elektron. De weerstand van de weerstand kan worden gemeten omdat de elektronenstroom in 2D-systemen bij ultralow-temperaturen wordt gekwantiseerd, waarbij de geleidbaarheid toeneemt in veelvouden van e2/h.

dus waarom is dit goed voor de Metrologie? Tot nu toe werd een Brokkelbalans h in SI-eenheden gemeten. Maar wanneer de definitie van de kilogram wordt gewijzigd, zal de numerieke waarde van h in steen worden vastgelegd, zodat iedereen de balans kan gebruiken om massa met uitstekende precisie te meten.

de tweede manier om h te meten wordt X-ray crystal density (XRCD) of het Avogadro-experiment genoemd. Het gaat om een uniform kristal van silicium-28 atomen die is bewerkt tot bijna een perfect ronde bol van 1 kg. Met behulp van optische interferometrie berekenen metrologen eerst de totale diameter – en dus het volume – van de bol. Vervolgens, door optische interferometrie te combineren met röntgenanalyse, kunnen ze de afstand tussen atomen, het volume elk bezet, en dus het totale aantal atomen in de bol berekenen. Tenslotte, door de bol te wegen, kunnen ze de Avogadro constante bepalen. Deze benadering bepaalt hoeveel atomen of moleculen er zijn in een mol van een stof – een hoeveelheid die heel anders is dan massa, die nu de mol zelf zal bepalen. Een vergelijking uit de atoomfysica die de Avogadro-en Planck-constanten met elkaar verbindt, maakt het mogelijk een precieze waarde van deze constanten vast te leggen.

laboratoria over de hele wereld hebben deze twee verschillende technieken gebruikt om de constante van Planck met buitengewone precisie te meten om een definitieve overeengekomen waarde van 6.626, 070,150 × 10-34 kg m2 s–1 te verkrijgen,met een relatieve onzekerheid van slechts 10 delen per miljard (Metrologia 55 L13 2018). Zoals voor de Avogadro constante, het zal worden vastgesteld op 6.022, 140, 76 × 1023 mol-1. En zodra de Planck-en Avogadro-constanten zijn vastgelegd, kunnen de complexe experimenten waaruit ze zijn afgeleid, worden gebruikt als standaard voor het meten van een kilogram en een mol.

praktisch effect

De makkelijkste manier om uit te leggen hoe dit zal werken, is door rekening te houden met de Brokkelbalans. Tot nu toe werd het gebruikt om nauwkeurige waarden van stroom en spanning te meten die vervolgens in vergelijkingen worden gestopt om de constante van Planck op te leveren. In de toekomst zal de constante van Planck een vaste waarde zijn en dezelfde metingen zullen in plaats daarvan de massa op de balans opleveren. Met andere woorden, iedereen met toegang tot een Brokkenbalans kan een perfecte kilogram realiseren. Hetzelfde principe zal ook gelden voor de ampère en kelvin, die in de toekomst zullen worden gegeven in termen van de lading op een elektron, e, en de Boltzmann-constante, k, respectievelijk. Apparatuur die is ontworpen om deze fundamentele constanten nauwkeurig te meten, zal nu op hun hoofd worden gedraaid om de ampère-en kelvin-eenheden nauwkeurig te realiseren (zie kader hieronder). Wat de meter, tweede en candela betreft, hun definities zullen worden aangepast, maar zullen in feite ongewijzigd blijven.

buiten de Metrologie zal de nieuwe SI weinig onmiddellijke praktische gevolgen hebben, en zal door de meeste mensen onopgemerkt blijven. Immers, de eenheden kunnen anders worden gedefinieerd, maar het doel is altijd om hun grootte hetzelfde te houden. Toch maakt het definiëren van de kilogram, kelvin, ampère en mole op geheel nieuwe manieren gebaseerd op constanten van de natuur ze invariant, toegankelijk en praktisch. Daarom zullen wetenschappers in staat zijn om ze te meten op elke plaats of tijd, en op elke schaal.

” Voor het eerst zullen we in staat zijn om kleine en grote hoeveelheden te meten met dezelfde zeer hoge precisie, omdat de fundamentele constanten niet geven om een schaal, ” voegt Schlamminger toe. Dit is belangrijk. Voordat de meter opnieuw werd gedefinieerd, kon de lengte slechts zeer nauwkeurig worden gemeten rond een meter. Maar sinds de herdefiniëring hebben zeer nauwkeurige toepassingen zoals micro-elektronica enorm geprofiteerd van de nauwkeurigheid waarmee ze afstand op kleine schaal kunnen meten.

evenzo zal de nieuwe kilogram het mogelijk maken een kilogram, gram en milligram met dezelfde precisie te meten, zelfs tot het punt dat de atoommassa in kilogram wordt gemeten. Zolang er een experimentele verbinding is met de constante van Planck, kan de massa worden gemeten. Daarom racen metrologen om Brokkelbalansen en nieuwe apparaten te bouwen die massa precies meten op grote en kleine schalen. Dus de nieuwe massa-eenheid en SI-eenheden zijn over het algemeen eindelijk geschikt voor de 21e eeuw, en zullen zo lang in de toekomst blijven. Zoals Schlamminger treffend concludeert: “De nieuwe SI is een constructie van schoonheid en logica.”

• voor meer informatie over de nieuwe SI definities, bekijk het gratis te lezen Physics World Discovery ebook Redefining the Kilogram and Other SI Units door Stephan Schlamminger op www.physicsworlddiscovery.org