i utkanten av Paris, åtta meter under marken i ett klimatstyrt valv, sitter en 143-årig platinalegeringscylinder. Stående bara 39 mm lång har den aldrig berörts av mänskliga händer. Som en delikat rysk docka är cylindern bur inuti tre kapslade glasklockor i ett rum som endast kan nås med tre nycklar som hålls av tre olika personer. Kring det mystiska objektet är ”vittnen”: sex” identiska ” cylindrar gjutna av samma platinlegering.

även om bevarandeinsatser konkurrerar med Turin Shroud, är cylindern inte ett heligt religiöst objekt. Det är den internationella prototypen Kilogram (IPK), den enda sanna kilogram mot vilken alla andra mäts. Inrymt i Pavillon de Breteuil – hem till International Bureau of Weights and Measures (BIPM) – kommer IPK snart att förlora sin unika status och bli en relik från en svunnen ålder. Det kommer då att vara lika pittoreskt som International Prototype meter (IPM) – en platinalegeringsstång också inrymd vid BIPM – som fungerade som världens officiella mätare fram till 1960.

den 16 November 2018 kommer metrologer och beslutsfattare från 60 länder runt om i världen att samlas vid General Conference on Weights and Measures (CGPM) i Versailles, Frankrike. Inget ovanligt där, eftersom mötet sammanträder en gång vart fjärde år för att diskutera budgetar och frågor inom metrologi. Men detta möte kommer att vara speciellt. Medlemsstaterna kommer att rösta om huruvida de ska anta den mest genomgripande förändringen av det internationella enhetssystemet (Syst Kubame International, eller SI) sedan starten 1960. Det är en förändring som kommer att innehålla nya definitioner av kelvin, ampere och mol, men kanske mest signifikant kilogrammet.

varje medlemsstat kommer att rösta en gång i en process som kommer att streamas live online. Om ändringen ratificeras (och alla tecken är att det kommer att bli) kommer händelsen att markera slutet på baseringsenheter på objekt – en praxis som går tillbaka årtusenden. Det kommer också äntligen att uppfylla en önskan som först uttrycktes av James Clerk Maxwell, som förutspådde att mätstandarder på något sätt skulle kunna definieras av oföränderliga naturkonstanter.

en solid grund

talar vid ett möte i British Association for the Advancement of Science i Liverpool 1870, berättade Maxwell delegaterna att ”om…vi vill få standarder för Längd, tid och massa som ska vara absolut permanenta, måste vi söka dem inte i dimensionerna, rörelsen eller massan på vår planet, utan i våglängden, vibrationsperioden och den absoluta massan av dessa oförgängliga och oföränderliga och perfekt liknande molekyler.”

med insiders som inte ser någon antydan om ett negativt resultat vid BIPM-mötet den här månaden är det säkert att anta att resolutionen att reformera SI kommer att passera utan motstånd och Maxwells önskan om ”absolut permanenta” standarder kommer att realiseras. Den nya SI träder sedan officiellt i kraft den 20 maj 2019, exakt ett dussin dussin (144) år efter det första internationella fördraget om måttenheter – Mätarkonventionen – som undertecknades samma dag 1875. Men varför är det så viktigt att enheter är baserade på naturkonstanter?

enheter har varit en stapelvara i samhället sedan åtminstone tiden för de gamla egyptierna. De använde olika delar av människokroppen eller föremål i sin miljö som skalor för att mäta saker. Ändå kan dessa standarder vara väldigt olika från plats till plats. För naturfilosofer i 17 – och 18-talets Europa, enhetsvariation – särskilt i längd och massa – gjorde det nästan omöjligt att jämföra resultat för samma fysiska fenomen om det hade uppmätts på olika platser.

olika försök gjordes för att skapa en universell åtgärd och 1799 introducerade Frankrike det metriska systemet baserat på två enheter – mätaren och kilogrammet. Känd som mätaren av arkiven och Kilogram av arkiven, dessa två platina artefakter lagrades på Archives Nationales i Paris för att lagligt och praktiskt definiera enheterna. Dessa standarder stod i 90 år tills de ersattes av IPM och IPK, som var fysiskt hårdare och bättre utformade.

universellt tänkande

SI-enheter har blivit sammanflätade i vetenskapen. Från den energidefinierande joule till katal för mätning av katalytisk aktivitet kan alla 29 namngivna SI-enheter definieras av en kombination av bara sju basenheter: den andra, Meter, kilogram, ampere, kelvin, mol och candela. Men som vetenskapen blev allt mer exakt i 20-talet, ett nytt problem uppfödda huvudet. Varje enhet baserad på något – ett objekt, experiment eller fenomen – som inte är universellt kommer att vara instabil.

Tänk på den andra. Det är historiskt kopplat till jordens revolution, som definieras som att ta 24 timmar, där en timme är 60 minuter och en minut är 60 sekunder. Men vad händer om jorden börjar rotera långsammare, som den gör om än någonsin så lite? En dag blir längre, vilket betyder att en sekund blir längre i reala termer också. Det betyder att en bil som registrerar 30 km / h faktiskt kommer att resa lite långsammare, en 30 W-lampa blir lite dimmer och ännu mer absurt kommer universum att expandera i en annan takt.

Om emellertid begreppet och varaktigheten för en sekund hålls men jordens rotation avlägsnas från definitionen och ersätts med något som aldrig förändras var och när den mäts i universum, blir den andra stabil. Detta gjordes 1967, då den andra omdefinierades som 9 192 631 770 gånger strålningsperioden som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i marktillståndet för cesium-133-atomen, Kubi (se ”a brief history of time-keeping” av Helen Margolis).

senare, 1983, omdefinierades mätaren också, eftersom längden på den väg som färdades av ljus i vakuum under ett tidsintervall på 1/299,792,458 sekunder. Den utsökta precision som forskare sedan har kunnat mäta tid och avstånd har gynnat samhället, inte minst genom att leda till satellitbaserade positioneringssystem, särskilt GPS.

Planck till undsättning

trots att ha tjänat samhället väl i 143 år är definitionen av kilogram i termer av ett enda objekt en inneboende instabil uppfattning. Det beror på att om IPK blir lättare eller tyngre, även med en liten mängd, förändras universums massa uttryckt i kilo också – ett galet förslag. Snarare oroande, IPK har förändrats. När metrologer mätte det 1988-1991 hade IPK i genomsnitt en massa runt 50 kg mindre än de sex vittnena. Per definition innebär detta att vittnena hade fått en liten mängd massa på något sätt, kanske genom att absorbera luftmolekyler. Men mer troligt-med tanke på att många nationella kopior av kilogramet också tycktes få massa – är att IPK hade förlorat massa. Eller kanske hade de alla vunnit eller förlorat massa, bara i olika takt.

Metrologer såg ingen ytterligare drift mellan IPK och vittnen från 1991 till 2014, sista gången mätningar gjordes. Men det faktum att det inte fanns någon drift menade inte att IPK: s massa eller vittnena inte hade förändrats. De kan helt enkelt ha förlorat eller vunnit massa i tandem. Och det är problemet: det finns inget sätt att berätta eftersom massan alltid kalibreras mot IPK.

”med den reviderade SI behöver vi inte oroa oss för det här”, förklarar Richard Davis, en tidigare chef för BIPM: s massavdelning som nu är konsult för byrån. I stället för att definieras av massan av en metallcylinder, kommer kilogrammet i det nya SI att baseras på en grundläggande konstant kvantfysik: Planck konstant.

uppkallad efter Max Planck, som utvecklade tanken att energi kommer i små paket som kallas kvanta, Planck-konstanten, h, relaterar energin hos en kvant elektromagnetisk strålning till sin frekvens med den berömda formeln E = hv. Planck-konstanten är i sin tur kopplad till massa via Einsteins E = mc2. För närvarande har h ett uppmätt värde på cirka 6,62607 10-34 m2 kg s–1, men metrologer vill nu fixa sitt värde i sten, med kilogrammet definierat i termer av detta värde.

det kommer därför att vara adjö till IPK, vilket är ett fysiskt instabilt objekt, och farväl till osäkerhet i värdet av Plancks konstant. ”Efter omdefinieringen är den orubbliga Plancks konstant fixerad till ett värde, medan osäkerheten är mer lämpligt shuntad till IPK: s massa”, säger Stephan Schlamminger, en metrolog från National Institute of Standards and Technology, USA. ”Och med en fast Plankkonstant kommer bättre enheter att kunna realisera ett kilo mer och mer exakt.”

Watt menar du

för att börja på höger fot är det viktigt att värdet vid vilket Plancks konstant är fast mäts så exakt som för närvarande möjligt. Detta ansvar vilar på mätningar från två mycket olika typer av experiment. Den första av dessa kallas A Kibble balance, tidigare kallad A watt balance men nu bytt namn till ära för uppfinnaren Bryan Kibble från Storbritanniens National Physical Laboratory, som dog 2016. För närvarande är det bara Frankrike, Kanada och USA som har kibble-saldon som kan göra de mätningar som behövs för att fixa Planck-konstanten. Men många andra arbetar med att bygga egna saldon. Som en högteknologisk uppsättning skalor använder Kibble balance elektromagnetiska krafter som tillhandahålls av en trådspole nedsänkt i ett magnetfält för att balansera en kilogrammassa. Utrustningen låter metrologer ta exakta värden på ström och spänning, från vilken Planck-konstanten kan härledas (se rutan nedan).

kibble balans

vad är det? Kibble (eller watt) balans består av en cirkulär, horisontell trådspole av Längd, L, hängde från en arm av en balans. Spolen placeras i ett starkt magnetfält, B, och en elektrisk ström, I, passeras genom den och genererar en kraft, F = BIL, som kan justeras för att motsvara vikten av en massa placerad på samma arm av balansen (mg). Massan ges sedan av m = BIL / g.

vad är problemet? Även om jag kan mätas exakt är det svårt att göra detsamma för B och L.

så vad är lösningen? Metrologer tar bort massan och flyttar spolen med hastighet u i magnetfältet för att generera en spänning V = BLu. Enheten kallas en wattbalans eftersom elektrisk kraft (vi) balanseras av mekanisk kraft (mgu) genom att ordna om de två ekvationerna. Med andra ord, m = VI / gu. Eftersom u är lätt att mäta och g (accelerationen på grund av tyngdkraften) är välkänd har problemen med mätning av B och L försvunnit.

men vad är länken med Planck-konstanten, h? Det är den smarta biten. Strömmen bestäms genom att passera den genom ett motstånd och använda Josephson-effekten för att mäta det resulterande spänningsfallet. Denna effekt beskriver det faktum att om två superledare separeras av en tunn isolator, parar elektroner i varje lager så att mikrovågsstrålning av frekvens, f, skapar en spänning över skiktet av V = hf/2e, där e är laddningen på elektronen. Motståndet hos motståndet kan mätas eftersom elektronflödet i 2D-system vid ultralåga temperaturer kvantiseras, med ledningsförmågan ökar i multiplar av e2/h.

så varför är detta bra för metrologi? Hittills mätte en Kibble-balans h i SI-enheter. Men när definitionen av kilogram ändras, kommer det numeriska värdet av h att fixas i sten, så att vem som helst kan använda balansen för att mäta massa med utsökt precision.

det andra sättet att mäta h kallas Röntgenkristalldensitet (XRCD) eller Avogadro-experimentet. Det handlar om en enhetlig kristall av kisel-28 atomer som har bearbetats till nästan en perfekt rund 1 kg sfär. Med hjälp av optisk interferometri beräknar metrologer först sfärens totala diameter – och därmed volymen. Sedan, genom att kombinera optisk interferometri med röntgenanalys, kan de beräkna avståndet mellan atomer, volymen upptar vardera och därmed det totala antalet atomer i sfären. Slutligen, genom att väga sfären, kan de bestämma Avogadro-konstanten. Detta tillvägagångssätt definierar hur många atomer eller molekyler det finns i en mol av ett ämne – en mängd som är helt annorlunda än massa, som nu definierar molan själv. En ekvation från atomfysik som länkar Avogadro-och Planck-konstanterna tillåter sedan ett exakt värde av det senare att fångas.

laboratorier över hela världen har använt dessa två olika tekniker för att mäta Planck-konstanten med extraordinär precision för att ge ett slutligt, överenskommet värde på 6.626,070,150 kub 10-34 kg m2 s–1, med en relativ osäkerhet på endast 10 delar per miljard (2018 Metrologia 55 L13). När det gäller Avogadro–konstanten kommer den att fixas till 6.022, 140,76 oz 1023 mol-1. Och när Planck-och Avogadro-konstanterna är fixerade kan de komplexa experimenten från vilka de härleddes användas som standarder för mätning av ett kilo och en mol.

praktisk inverkan

det enklaste sättet att stava ut hur detta kommer att fungera är att överväga Kibble-balansen. Hittills har det använts för att mäta exakta värden på ström och spänning som sedan ansluts till ekvationer för att ge Planck-konstanten. I framtiden kommer Planck-konstanten att vara ett fast värde och samma mätningar ger istället massan på balansen. Med andra ord kan alla med tillgång till en Kibble-balans inse ett perfekt kilo. Samma princip gäller även ampere och kelvin, som i framtiden kommer att ges när det gäller laddningen på en elektron, e respektive Boltzmann-konstanten, k. Utrustning som är utformad för att exakt mäta dessa grundläggande konstanter kommer nu att slås på huvudet för att exakt realisera ampere-och kelvin-enheterna (se rutan nedan). När det gäller mätaren, andra och candela, deras definitioner kommer att tweaked men kommer att förbli effektivt oförändrade.

utanför metrologi kommer den nya SI att ha liten omedelbar praktisk konsekvens och kommer att gå obemärkt av de flesta. När allt kommer omkring kan enheterna definieras annorlunda, men målet är alltid att hålla sin storlek densamma. Men att definiera kilogram, kelvin, ampere och mol på helt nya sätt baserat på naturkonstanter gör dem oföränderliga, tillgängliga och praktiska. Därför kommer forskare att kunna mäta dem var som helst och i vilken skala som helst.

”För första gången kommer vi att kunna mäta små och stora mängder med samma mycket höga precision eftersom de grundläggande konstanterna inte bryr sig om en skala”, tillägger Schlamminger. Detta är viktigt. Innan mätaren omdefinierades kunde längden endast mätas mycket exakt runt en meter. Men sedan dess omdefiniering har applikationer med hög precision som mikroelektronik gynnats enormt av noggrannheten med vilken de kan mäta avstånd vid små skalor.

På samma sätt kommer det nya kilogrammet att tillåta ett kilo, gram och milligram att mätas med identisk precision, även till den punkt som atommassorna kommer att mätas i kilo. Så länge det finns en experimentell koppling till Planck-konstanten, kommer massan att kunna mätas. Därför tävlar metrologer för att bygga bordsskivbalanser och nya enheter som mäter massa exakt på skalor stora och små. Så den nya massenheten och SI-enheterna är i allmänhet äntligen lämpliga för det 21: a århundradet, och kommer att förbli så länge in i framtiden. Som Schlamminger avslutar lämpligt: ”Den nya SI är en konstruktion av skönhet och logik.”

• för mer information om de nya si-definitionerna, kolla in den fria att läsa Physics World Discovery ebook omdefiniera Kilogram och andra SI-enheter av Stephan Schlamminger på www.physicsworlddiscovery.org