Veertig voet onder de grond in Gaithersburg, Maryland, in een helderwit laboratorium dat drie aparte sleutels nodig heeft om binnen te komen, slaan de Verenigde Staten een kostbare verzameling kleine, glanzende metalen cilinders op die letterlijk de massa van alles in dit land bepalen.

ze zijn mooi, met spiegelafwerkingen, en ik moet de drang weerstaan om ze aan te raken. Als ik ze aanraakte, kon ik ze besmetten met olie van mijn huid en mogelijk hun gewicht verhogen. Patrick Abbott, de” keeper van de kilogram ” hier bij de National Institutes of Standards and Technology (NIST), vertelt me dat dit erg slecht zou zijn.

Op dit moment heeft de kilogram een zeer eenvoudige definitie: het is de massa van een stuk platina-iridium legering die sinds 1889 is ondergebracht bij het International Bureau of Weights and Measures in Sèvres, Frankrijk. Het heet de internationale Prototype Kilogram (a. k. a. Big K, of Le Grand K), en het heeft vele kopieën over de hele wereld — waaronder zeven op NIST in Gaithersburg — die worden gebruikt om schalen te kalibreren en ervoor te zorgen dat de hele wereld op één systeem van meting.

Hier is een van de kopieën van NIST, genaamd K4, gesmeed uit hetzelfde stuk metaal waaruit Big K werd gemaakt in de 19e eeuw.

kijk er goed naar. Want binnenkort zal deze 129 jaar oude standaard voor de kilogram veranderen.op vrijdag kwamen wetenschappers uit de hele wereld bijeen op de Algemene Conferentie over gewichten en maten in Versailles, Frankrijk, en stemden voor een wijziging van de definitie van een kilogram, die werd gekoppeld aan een universele constante in aard. De wijziging gaat in op 20 Mei 2019.

een belangrijke reden voor de verandering is dat Big K niet constant is. Het heeft ongeveer 50 microgram (ongeveer de massa van een wimper) verloren sinds het werd gemaakt. Maar, frustrerend, als Big K massa verliest, is het nog steeds precies één kilogram, volgens de huidige definitie.

wanneer Big K verandert, moet al het andere worden aangepast. Of nog erger: als Big K werd gestolen, zou ons wereldsysteem van massa meting in chaos worden gegooid.met de stemming vrijdag kozen ‘ s werelds beste meetwetenschappers ervoor om de kilogram aan te brengen op de constante van Planck, een fundamenteel concept in de kwantummechanica dat nooit en te nimmer kan veranderen — hier op aarde of in de diepe uithoeken van het universum.

Dit is meer dan een wetenschappelijke overwinning. Het is ook een filosofische, zoals ik leerde van de NIST-wetenschappers die al jaren werken aan de herdefinitie en dit moment de meest opwindende tijd van hun hele carrière noemen.

met de nieuwe definitie voltooit de Algemene Conferentie over gewichten en maten de oorspronkelijke droom van het metrieke stelsel , dat tijdens de Franse Revolutie werd omarmd. Het metrische systeem — dat evolueerde tot het Internationale Systeem van eenheden, of SI — was ontworpen om “voor alle tijden, voor alle mensen.”

“objecten veranderen altijd,” zegt Stephan Schlamminger, een NIST wetenschapper die betrokken is bij de herdefinitie. Met de nieuwe definitie zegt hij: “we gaan van een object” op aarde “naar het materiaal dat in de hemelen is.”

en dat is iets om te vieren. In een wereld waar alles altijd in beweging lijkt te zijn, hebben deze wetenschappers er nu voor gezorgd dat de kilogram nooit zal veranderen.

een korte geschiedenis van de kilogram

Hoe weet je wat iets weegt? Ik weet het, er is een voor de hand liggend antwoord: Je zet het op een schaal.

maar als je naar een supermarkt gaat en een bundel appels weegt, hoe weet die weegschaal dan hoe een pond fruit voelt?

om massametingen zinvol te maken, hebben we een vast vergelijkingspunt nodig. Die appels moeten meer of minder wegen dan iets. Om chaos te voorkomen en onze economie te laten functioneren, moet dat iets universeel worden erkend.

De Weegschaal in uw supermarkt werd gekalibreerd met een gewicht dat gekalibreerd was met een gewicht dat gekalibreerd was met een gewicht, enzovoort. En al die kalibraties komen terug tot hier, in de ingewanden van NIST. Consistente gewichten en maten zijn belangrijk voor meer dan boodschappen: stel je voor dat Boeing niet precies kon achterhalen wat een vliegtuig weegt, of dat de farmaceutische industrie niet de exacte massa kon bepalen van een kleine, potentieel dodelijke dosis medicijnen.

in de Verenigde Staten gebruiken we nog steeds imperial units: pounds en ounces. Maar echt, al onze metingen zijn afgeleid van het Internationale Systeem van eenheden, of SI, dat meters en kilogram gebruikt als de fundamentele eenheden van lengte en massa.

als het om massa in de VS gaat, is alles terug te voeren op deze Puck-vormige cilinders, die precies zijn bewerkt om 1 kilogram te wegen. Officieel wordt in de VS 1 pond gedefinieerd als 0,45359237 kilogram. Een voet wordt gedefinieerd als 0,3048 meter.

maar het systeem was niet altijd zo ordelijk. Vóór de Franse Revolutie en de uitvinding van het metrieke stelsel, waren de systemen van gewichten en maten over de hele wereld een chaotische, weerbarstige puinhoop.

” stel je een wereld voor waar je elke keer dat je reisde verschillende conversies moest gebruiken voor metingen, zoals wij dat doen voor valuta,” legt Madhvi Ramani van de BBC uit. “Dit was het geval voor de Franse Revolutie in de late 18e eeuw, waar gewichten en maten varieerden niet alleen van natie tot natie, maar ook binnen Naties.de Franse Revolutie ging over het omverwerpen van oude, archaïsche, chaotische hiërarchieën die overgebleven waren uit het feodale tijdperk en het herscheppen van de samenleving met egalitaire principes in gedachten.geà nspireerd door de revolutie wilden wetenschappers in die tijd opnieuw beginnen met een nieuw, consistent meetsysteem, waarbij eenheden niet gebaseerd waren op willekeurige mandaten van koningen, maar op de natuur. Het doel was om een meetsysteem te creëren “voor alle tijden, voor alle mensen.”

toen het Internationaal Bureau voor maten en gewichten werd opgericht in Frankrijk in de late jaren 1800, werd de meter — de standaard eenheid van lengte — gecreëerd om een tien miljoenste van de afstand van de Noordpool tot de evenaar te zijn. De gram haalt inspiratie uit de dichtheid van water: het is ongeveer gelijk aan de massa van 1 kubieke centimeter water gehouden bij 4°C.

om deze nieuwe eenheden te verspreiden — om er zeker van te zijn dat iedereen in de wereld ze begreep — besloten de uitvinders van het metrisch systeem fysieke objecten te creëren om ze te belichamen en te definiëren. Ze hebben een metalen staaf gemaakt die precies 1 meter lang is. Ze creëerden Big K om de massa van 1 kilogram of 1.000 gram weer te geven.

sinds de 19e eeuw zijn alle fysieke overblijfselen van het oude metrisch systeem vervangen door metingen die zijn aangebracht op constante natuurkrachten. De meter werd oorspronkelijk gedefinieerd als een deel van de grootte van de aarde. Maar zelfs de vorm van de wereld is niet permanent. De aarde is misschien niet eens permanent. Vandaag wordt de meter bepaald door de lichtsnelheid. De tweede is aangebracht op de beweging van de atomen van het element cesium.

alleen de kilogram wordt nog gedefinieerd door een fysiek object, voor nu.

dus wat is deze nieuwe definitie van de kilogram? Bereid je voor, want het is een beetje een doozy.de wetenschap van het herdefiniëren van de kilogram in termen van de constante van Planck, verklaarde de stemming van vrijdag op de Algemene Conferentie over gewichten en maten unaniem. Maar de veranderingen zullen pas in Mei 2019 van kracht worden. Wanneer de verandering komt, is hier hoe de kilogram zal worden gedefinieerd in het Internationale Systeem van eenheden:

de kilogram, symbool kg, is de SI-eenheid van massa. Het wordt gedefinieerd door de vaste numerieke waarde van de constante van Planck h te nemen tot 6.626 070 15 × 10-34 wanneer uitgedrukt in de eenheid J s, die gelijk is aan kg m2 s -1 , waar de meter en de tweede zijn gedefinieerd in termen van c en ∆vCs.

What the heck?

Het is veel moeilijker uit te leggen dan een brok metaal in Frankrijk. Maar laten we het proberen.

in principe zal de Algemene Conferentie over maten en gewichten de waarde van de constante van Planck bepalen, die beschrijft hoe de kleinste stukjes materie in afzonderlijke stappen of brokken energie vrijgeven (quanta genoemd).

met de stemming van vrijdag zal de constante van Planck nu en voor altijd worden ingesteld op 6.62607015 × 10-34 m2 kg / s. en uit deze vaste waarde van de constante van Planck kunnen wetenschappers de massa van een kilogram afleiden.

deze herdefinitie-inspanning heeft tientallen jaren geduurd omdat de constante van Planck klein is (hij begint met een decimaal en wordt gevolgd door 33 nullen) en moest worden berekend tot een superkleine foutmarge. Het werk vereiste zorgvuldige metingen met een ongelooflijk ingewikkelde machine genaamd de Brobble balance (meer hierover hieronder), evenals waarnemingen van een extreem ronde bol van silicium.

die verklaring lijkt misschien wankel. En dat is het ook. Maar om het beter te waarderen, is het nuttig om te kijken naar hoe de meter — ‘ s werelds standaard eenheid van lengte — werd herdefinieerd in termen van de snelheid van het licht als een voorbeeld van waarom dit nodig was.

De meter werd oorspronkelijk gedefinieerd als de lengte van een staaf bij het Internationaal Bureau voor maten en gewichten in Frankrijk. (Het werd vervolgens opnieuw gedefinieerd om gelijk te zijn aan een bepaalde golflengte van straling. Opnieuw was het probleem met deze definitie de onnauwkeurigheid ervan. Het was niet gebaseerd op onveranderlijke eigenschappen van het universum.

lichtsnelheid daarentegen is een onveranderlijke 299.792.458 meter per seconde. Waar je ook bent, wetenschappers geloven dat het hetzelfde blijft. (Tenminste, als het verandert, dat zou upend bijna alles wat we weten over natuurkunde.in 1983 waren natuurkundigen erg goed in het meten van de lichtsnelheid. Dus gebruikten ze het om de lengte van de meter voor altijd vast te stellen, om hem permanent te maken. Hier is hoe: ze herdefinieerden de meter om gelijk te zijn aan de afstand die licht aflegt in een vacuüm in 1/299,792,458 van een seconde. In wezen is de definitie van de meter nu gebakken in de definitie van de snelheid van het licht.

Er zit een poëzie in: wetenschappers namen de meter — een willekeurige lengtemeting uitgevonden door mensen — en plakten hem aan op een universele constante. Onze rommelige menselijke maten hebben hun rommelige menselijkheid overstegen; ze zijn versmolten met een eeuwige waarheid.

de nieuwe, licht gedefinieerde meter heeft dezelfde lengte als de oude meter standaard in Parijs. Maar in tegenstelling tot de oude standaard in Parijs, kan nu de definitie van de meter nooit veranderen.

hetzelfde gebeurt met de constante van Planck. Net als de lichtsnelheid is de constante van Planck een universele waarheid die nooit zal veranderen.

door het instellen van een eindwaarde van de constante van Planck — waarvan de eenheden de kilogram omvatten, net zoals de eenheden van de lichtsnelheid de meter omvatten — is de grootte van een kilogram voor altijd stabiel. Je kunt het ook zo zien: de kilogram is verankerd aan de constante van Planck, waar hij voor altijd zal rusten.

(misschien als je goed hebt gelezen, heb je gemerkt dat er hier een beetje een kip-en-ei probleem is. Hoe definieer je een meter in termen van de lichtsnelheid als je metingen van de lichtsnelheid ook de eenheid “meter”bevatten? Het is hetzelfde voor de constante van Planck: het bevat kilogram in zijn eenheden. Kort antwoord: daarom hebben de mensen die aan deze problemen werken een doctoraat.)

de Brokkelbalans is de machine die dit alles mogelijk maakt

het herdefiniëren van de kilogram in termen van de Planck was een enorme uitdaging, een die tientallen jaren heeft gekost om te voltooien.

wetenschappers moesten de constante van Planck uiterst nauwkeurig kunnen meten. Als onze schatting van de lichtsnelheid een grote foutmarge had, zou het geen betrouwbaar anker zijn om een meter te meten. Hetzelfde geldt voor de Planck.sinds tientallen jaren gebruiken de wetenschappers van NIST, evenals enkele andere laboratoria over de hele wereld, een machine genaamd de Brobble balance (soms aangeduid als de watt balance) om de constante van Planck nauwkeurig te meten en wel zodanig dat deze kan worden gebruikt om de kilogram te herdefiniëren.

net als de kilogram-normen is de Brokkelbalans diep onder de grond bij NIST ondergebracht. Het is gebouwd op een betonnen vloer die letterlijk boven de fundering van het gebouw kan zweven om de gevoelige apparatuur beter te isoleren van trillingen van de rest van de faciliteit. Ik moet een plastic net over mijn haar en schoenen dragen om het te gaan zien omdat elk stukje puin het uit de kalibratie kan gooien.

als de Victorianen een tijdmachine hadden gebouwd en geparkeerd in een brouwerij, zou ik me voorstellen dat het er ongeveer zo uit zou zien.

De Brokkelbalans werkt enigszins als een eenvoudige massabalans. Stelt u zich eens voor wat Vrouwe Justitia in haar hand heeft: het heeft twee pannen die op een centraal punt in balans zijn. Een eenvoudige balans vergelijkt twee gewichten op elk van de pannen, met als doel ze gelijk te stellen.

De Brokkelbalans-vernoemd naar zijn latere uitvinder, de Britse natuurkundige Bryan Kibble — doet iets dergelijks, maar met een kwantummechanische twist. Het stelt de mechanische energie die door de massa van een object wordt uitgeoefend gelijk aan een equivalente hoeveelheid elektrische energie.

De formule de Brokkelbalans levert om massa en elektrisch vermogen gelijk te stellen is ingewikkeld. (De NIST wetenschappers brachten me naar het whiteboard hieronder om uit te leggen.)

wat belangrijk is, is dat in die vergelijking — tussen alle variabelen die in het spel zijn, zoals massa, snelheid, zwaartekracht, magnetisme en elektriciteit — de constante van Planck ligt. Met deze machine konden wetenschappers Planck oplossen. De wiskunde werkt omdat, zoals Albert Einstein ons leerde met zijn beroemdste vergelijking E=mc2 , massa en energie in wezen verschillende uitdrukkingen van hetzelfde zijn.

nu zou je kunnen denken: Wat doet de Brokkelbalans nu het de constante van Planck heeft gedefinieerd?

wel, het vervangt de behoefte aan Big K in Frankrijk omdat het nu de massa van een kilogram kent in termen van de constante van Planck. En dat zal een precieze meting zijn, een manier om ervoor te zorgen dat een kilogram nog steeds een kilogram is, die kan worden gebruikt om voorwerpen te wegen, en hun massa te bepalen volgens de nieuwe standaard.

“Op dit moment is onze kwaliteitsborging op de stabiliteit van gebaseerd op overeenkomst,” zegt Abbott. “We zeggen dat het niet gaat veranderen. Onze kwaliteitsgarantie op de Brokkelbalans is dat het gebaseerd is op een constante van de natuur die rigoureus is gemeten door de hele wereld. en we weten dat het niet verandert. Het is het verschil in de wereld.”

de democratisering van maten en gewichten is aan de gang

nog steeds bij me?

als je het allemaal vergelijkt, dan is hier waar deze verandering op neer komt: we hebben niet langer een regering nodig — de VS, Frankrijk, wie dan ook — of een internationaal bestuursorgaan om ons te vertellen wat een kilogram is. Het zal een fundamentele waarheid van het universum zijn, beschikbaar voor iedereen met de juiste uitrusting om het te realiseren.

in theorie kan iedereen een Brokkenbalans opbouwen. (Ik heb gehoord dat er geminiaturiseerde zijn op de weg.”Ze kunnen dit experiment bouwen, en ze kunnen elke massa meten die ze willen, elk materiaal, zet het gewoon op de balans en je krijgt de waarde van de massa, absoluut, in termen van de constante van Planck,” zegt Darine El Haddad, die het Brobble balance experiment bij NIST leidt. De Brokkenbalans zorgt voor een” absolute meting ” zegt ze.

In de toekomst hoeft de verwerkende industrie hun gewichten en weegschalen niet naar NIST te sturen voor kalibratie. Ze kunnen een Brokkenbalans hebben op hun fabrieksvloer. In dat licht is de nieuwe definitie democratischer — een die vrij is om over de hele wereld te worden gebruikt en niet opgesloten wordt gehouden in een zaak in Frankrijk.

er zijn echter enkele grote nadelen aan de verandering. “Mensen begrijpen het metrieke systeem niet eens”, zegt Abbott. “Hoe ga je een Brokkenbalans verklaren?”De complexiteit van de definitie kan een turn-off zijn voor mensen die willen leren over wetenschap. Een basisschoolkind kan begrijpen dat een stuk metaal een kilogram weegt, maar kwantummechanica?

Schlamminger stelt dat hoewel de nieuwe definitie technisch ingewikkelder is, ” filosofisch gezien is het eenvoudiger.”De kilogram zal binnenkort worden bepaald door de fundamentele fysica van het universum, niet door een of andere menselijke machinatie.Schlamminger heeft de oprichtende woorden van het metrisch systeem, “for all times, for all people”, getatoeëerd op zijn arm, naast de cijfers van de constante van Planck. Zo sterk gelooft hij in het ideaal. Hij ziet dit werk als ” het voltooien van de boog die begon met de Franse Revolutie.”En het is compleet: met de stemming van vrijdag is de kilogram nu voor altijd, voor alle tijd en voor alle mensen.de constante tattoo van Stephan Schlamminger ‘ s Planck wordt gevolgd door het motto van het metric system: “For all times, for all people.”