fyrtio fot under jord i Gaithersburg, Maryland, i ett ljust vitt laboratorium som kräver tre separata nycklar för att komma in, lagrar Usa en dyrbar samling små, glänsande metallcylindrar som bokstavligen definierar massan av allt i detta land.

de är vackra, med spegelfinish, och jag måste motstå uppmaningen att röra vid dem. Om jag rörde dem kunde jag förorena dem med olja från min hud och potentiellt öka deras vikt. Patrick Abbott,” keeper of the kilogram ” här på National Institutes of Standards and Technology (NIST), berättar för mig att detta skulle vara mycket dåligt.

för närvarande har kilogramet en mycket enkel definition: det är massan av en hunk av platina-iridiumlegering som har varit inrymd vid International Bureau of Weights and Measures i S Jacobvres, Frankrike sedan 1889. Det kallas den internationella prototypen Kilogram (aka. Big K, eller Le Grand K), och det har många kopior runt om i världen — inklusive sju på NIST i Gaithersburg — som används för att kalibrera skalor och se till att hela världen är på ett mätsystem.

här är en av kopiorna på NIST, kallad K4, smidd från samma metallstycke från vilken Big K skapades på 19-talet.

ta en titt på det. För snart kommer denna 129-åriga standard för kilogrammet att förändras.

på fredagen träffades forskare från hela världen vid generalkonferensen om vikter och åtgärder i Versailles, Frankrike, och röstade för att ändra definitionen av ett kilo och binda det till en universell konstant i naturen. Ändringen träder i kraft den 20 maj 2019.

en viktig orsak till förändringen är att Big K inte är konstant. Den har förlorat cirka 50 mikrogram (ungefär massan av en ögonfrans) sedan den skapades. Men frustrerande, när Big K förlorar massa, är det fortfarande exakt ett kilo, enligt den nuvarande definitionen.

När Big K ändras måste allt annat justeras. Eller ännu värre: om Big K stulits skulle vårt världssystem för massmätning kastas i kaos.

med omröstningen fredag valde världens toppmätningsforskare att fästa kilogramet på Planck — konstanten, ett grundläggande begrepp inom kvantmekanik som aldrig någonsin kan förändras-här på jorden eller i universums djupa räckvidd.

detta är mer än en vetenskaplig seger. Det är också en filosofisk, som jag lärde mig av NIST-forskarna som har arbetat i flera år med omdefinieringen och kallar det här ögonblicket den mest spännande tiden i hela sin karriär.

med den nya definitionen fullbordar General Conference on Weights an Measures den ursprungliga drömmen om det metriska systemet , som omfamnades mitt i den franska revolutionen. Det metriska systemet-som utvecklades till det internationella systemet för enheter, eller SI — var utformat för att vara ”för alla tider, för alla människor.”

” objekt förändras alltid”, säger Stephan Schlamminger, en nistforskare som är involverad i omdefinieringen. Med den nya definitionen säger han:” vi går från ett objekt ”på jorden” till de saker som finns i himlen.”

och det är något värt att fira. I en värld där allt alltid verkar vara i flöde har dessa forskare nu sett till att kilogrammet aldrig kommer att förändras.

en kort historia av kilogrammet

hur vet du vad något väger? Jag vet, det finns ett uppenbart svar: du lägger det på en skala.

men när du går till en livsmedelsbutik och väger en bunt äpplen, hur vet den skalan hur ett pund frukt känns?

för att massmätningar ska vara meningsfulla behöver vi en fast jämförelsepunkt. Dessa äpplen måste väga mer eller mindre än något. För att undvika kaos och låta vår ekonomi fungera måste något erkännas allmänt.

skalan i din livsmedelsbutik kalibrerades med en vikt som kalibrerades med en vikt som kalibrerades med en vikt och så vidare. Och alla dessa kalibreringar spåra tillbaka till här, i tarmarna av NIST. Konsekventa vikter och mått betyder mer än matvaror: Tänk om Boeing inte kunde räkna ut exakt vad ett flygplan väger, eller om läkemedelsindustrin inte kunde bestämma den exakta massan av en liten, potentiellt dödlig dos medicin.

i USA använder vi fortfarande kejserliga enheter: pund och Uns. Men egentligen är alla våra mätningar härledda från det internationella systemet för enheter, eller SI, som använder meter och kilo som grundläggande enheter av längd och massa.

När det gäller massa i USA spårar allt tillbaka till dessa puck-formade cylindrar, som är exakt bearbetade för att väga 1 kilo. Officiellt, i USA, definieras 1 pund som 0,45359237 kilo. En fot definieras som 0,3048 meter.

men systemet var inte alltid så ordnat. Före den franska revolutionen och uppfinningen av det metriska systemet var systemen för vikter och mått världen över en kaotisk, orubblig röra.

”Föreställ dig en värld där varje gång du reste var du tvungen att använda olika omvandlingar för mätningar, som vi gör för valuta”, förklarar Madhvi Ramani från BBC. ”Detta var fallet före den franska revolutionen i slutet av 18th Century, där vikter och mått varierade inte bara från nation till nation, men också inom nationer.”

den franska revolutionen var på väg att störta gamla, arkaiska, kaotiska hierarkier kvar från den feodala eran och göra om samhället med egalitära principer i åtanke.inspirerad av revolutionen ville forskare vid den tiden börja nytt på ett nytt, konsekvent mätsystem, basera enheter inte på godtyckliga mandat från kungar, utan på naturen. Målet var att skapa ett system för mätning ” för hela tiden, för alla människor.”när International Bureau of Weights and Measures grundades i Frankrike i slutet av 1800 — talet skapades mätaren — standardenheten för längd-för att vara en tio miljoner av avståndet från Nordpolen till ekvatorn. Grammet tar inspiration från vattnets densitet: det är ungefär lika med massan på 1 kubikcentimeter vatten som hålls vid 4 CCC.

för att sprida dessa nya enheter — för att se till att alla i världen förstod dem — uppfinnarna av det metriska systemet bestämde sig för att skapa fysiska föremål för att förkroppsliga och definiera dem. De skapade en metallstång för att vara exakt 1 meter lång. De skapade Big K för att representera massan på 1 kilo eller 1000 gram.

sedan 19-talet har alla fysiska reliker i det gamla metriska systemet ersatts av mätningar fästa vid konstanta naturkrafter. Mätaren definierades ursprungligen som en andel av jordens storlek. Men även världens form är inte permanent. Heck, jorden kanske inte ens är permanent. Så idag definieras mätaren av ljusets hastighet. Den andra är fäst vid rörelsen av atomerna i elementet cesium.

endast kilogrammet definieras fortfarande av ett fysiskt objekt, för nu.

Så vad är den här nya definitionen av kilogrammet? Förbered dig, för det är lite av en doozy.

vetenskapen om att omdefiniera kilogrammet i termer av Planck-konstanten, förklarade

fredagens omröstning vid generalkonferensen om vikter och åtgärder antogs enhälligt. Men förändringarna träder inte i kraft förrän maj 2019. När förändringen kommer, så här definieras kilogramet i det internationella systemet för enheter:

kilogramet, symbol kg, är SI-massenheten. Det definieras genom att ta det fasta numeriska värdet av Planck-konstanten h för att vara 6,626 070 15 10-34 10-34 när det uttrycks i enheten J s, vilket är lika med kg m2 s -1 , där mätaren och den andra definieras i termer av C och VC.

vad sjutton?

det är mycket svårare att förklara än en klump av metall i Frankrike. Men låt oss försöka.

i grund och botten kommer generalkonferensen om vikter och åtgärder att fastställa värdet på Planck-konstanten, som beskriver hur de minsta bitarna av materia frigör energi i diskreta steg eller bitar (kallad kvanta).

med omröstningen fredag kommer Planck-konstanten nu och för alltid att ställas in som 6.62607015 10-34 m2 kg/s. och från detta fasta värde av Planck-konstanten kan forskare härleda massan av ett kilo.

denna omdefinieringsinsats har tagit årtionden eftersom Planck-konstanten är liten (den börjar med en decimalpunkt och följs av 33 nollor) och måste beräknas ner till en super-liten felmarginal. Arbetet krävde noggranna mätningar med en otroligt komplicerad maskin som kallades Kibble balance (mer om det nedan), liksom observationer av en extremt rund sfär av kisel.

den förklaringen kan tyckas wonky. Och det är det. Men för att bättre uppskatta det är det bra att titta på hur mätaren — världens standardenhet av längd — omdefinierades med avseende på ljusets hastighet som ett exempel på varför detta var nödvändigt.mätaren definierades ursprungligen som längden på en bar vid International Bureau of Weights and Measures i Frankrike. (Det omdefinierades sedan för att vara lika med en viss våglängd av strålning.) Återigen var problemet med denna definition dess oprecision. Det var inte baserat på oföränderliga egenskaper hos universum.

ljushastighet, å andra sidan, är en oföränderlig 299,792,458 meter per sekund. Oavsett var du är, tror forskare, det förblir detsamma. (Åtminstone, om det ändras, skulle det öka det mesta vi vet om fysik.)

1983 hade fysiker blivit riktigt bra på att mäta ljusets hastighet. Så de använde den för att fixa längden på mätaren för alltid, för att göra den permanent. Så här: de omdefinierade mätaren för att vara lika med avståndsljuset som rör sig i vakuum i 1/299,792,458 av en sekund. I huvudsak bakas definitionen av mätaren nu i definitionen av ljusets hastighet.

det finns en poesi till detta: forskare tog mätaren — en godtycklig längdmätning uppfunnad av människor — och fästade den på en universell konstant. Våra röriga mänskliga mätningar har överskridit deras röriga mänsklighet; de har blivit smälta med en evig sanning.

den nya, ljusdefinierade mätaren har samma längd som den gamla mätstandarden i Paris. Men till skillnad från den gamla standarden i Paris, kan definitionen av mätaren aldrig någonsin förändras.

samma sak händer med Planck-konstanten. Liksom ljusets hastighet är Planck-konstanten en universell sanning som aldrig kommer att förändras.

genom att ställa in ett slutvärde för Planck-konstanten — vars enheter inkluderar kilogram, ungefär som enheterna för ljusets hastighet inkluderar mätaren-är storleken på ett kilo för alltid stabilt. Du kan också tänka på det så här: kilogrammet har förankrats till Planck-konstanten, där det vilar, för alltid.

( kanske om du har läst noga har du märkt att det finns lite kyckling-och-äggproblem här. Hur försöker du definiera en mätare när det gäller ljusets hastighet om dina mätningar av ljusets hastighet också innehåller enheten”meter”? Det är samma sak för Planck-konstanten: den innehåller kilo i sina enheter. Kort svar: Det är därför de personer som arbetar med dessa problem har doktorer.)

kibble-balansen är den maskin som gör allt detta möjligt

omdefiniera kilogrammet i termer av Planck har varit en enorm utmaning, en som har tagit årtionden att slutföra.

för en måste forskare kunna mäta Planck-konstanten i extremt exakt grad. Om vår uppskattning av ljusets hastighet hade en stor felmarginal skulle det inte vara ett pålitligt ankare att mäta en mätare. Detsamma gäller för Planck.i årtionden har forskarna vid NIST, liksom några andra laboratorier runt om i världen, använt en maskin som kallas Kibble balance (ibland kallad wattbalansen) för att exakt mäta Planck-konstanten i tillräckligt noggrann grad att den kan användas för att omdefiniera kilogrammet.liksom kilogramstandarderna är Kibble-balansen inrymd djupt underjordisk vid NIST. Den är byggd på ett betonggolv som bokstavligen kan flyta ovanför byggnadens grund för att bättre isolera sin känsliga utrustning från vibrationer från resten av anläggningen. Jag måste bära ett plastnät över mitt hår och skor för att se det eftersom någon bit av skräp kan kasta den ur kalibrering.

om Viktorianerna hade byggt en tidsmaskin och parkerat den i ett bryggeri, skulle jag föreställa mig att det skulle se ut så här.

Kibble-balansen fungerar ungefär som en enkel massbalans. Bild one Lady Justice håller i handen: den har två pannor som balanserar vid en central punkt. En enkel balans jämför två vikter på var och en av pannorna, med målet att jämföra dem.Kibble balance-uppkallad efter sin sena uppfinnare, den brittiska fysikern Bryan Kibble — gör något liknande, men med en kvantmekanisk vridning. Det motsvarar den mekaniska energi som utövas av massan av ett objekt med en ekvivalent mängd elektrisk energi.

formeln som Kibble-balansen ger för att jämföra massa och elkraft är komplicerad. (NIST-forskarna tog mig till whiteboard som visas nedan för att förklara.)

vad som är viktigt är att i den ekvationen — bland alla variabler som spelas, som inkluderar massa, hastighet, gravitationskraft, magnetism och elektricitet — ligger Planck-konstanten. Och med hjälp av denna maskin kunde forskare lösa för Planck. Matematiken fungerar eftersom Albert Einstein lärde oss med sin mest kända ekvation E=mc2 , massa och energi är i huvudsak olika uttryck för samma sak.

nu kanske du tänker: Vad gör Kibble-balansen nu när den definieras Planck-konstanten?

Tja, det ersätter behovet av Big K i Frankrike eftersom det nu vet massan av ett kilo när det gäller Planck-konstanten. Och det kommer att vara en exakt mätning, ett sätt att fortsätta att säkerställa ett kilo är fortfarande ett kilo, som kan användas för att väga föremål och bestämma deras massa enligt den nya standarden.

” just nu är vår kvalitetssäkring av stabiliteten baserad på överenskommelse”, säger Abbott. ”Vi säger att det inte kommer att förändras. Vår kvalitetssäkring på kibble balance är att den bygger på en konstant natur som har uppmätts, rigoröst, av hela världen. och vi vet att det inte förändras. Det är hela skillnaden i världen.”

demokratiseringen av vikter och mått pågår

fortfarande med mig?

Om du glansade över allt, här är vad all denna förändring kokar ner till: vi behöver inte längre en regering — USA, Frankrike, vem som helst — eller ett internationellt styrande organ för att berätta vad ett kilo är. Det kommer att vara en grundläggande sanning i universum, tillgänglig för alla med rätt utrustning för att inse det.

i teorin kan vem som helst bygga en Kibble-balans. (Jag får höra att det finns miniatyriserade på vägen.) ”De kan bygga detta experiment, och de kan mäta vilken massa de vill ha, vilket material som helst, bara sätta det på balansen och du får värdet av massan, absolut, när det gäller Planck-konstanten”, säger Darine El Haddad, som driver kibble balance-experimentet på NIST. Kibble-balansen möjliggör en ”absolut mätning” säger hon.

i framtiden behöver tillverkningsindustrin inte skicka sina vikter och skalor till NIST för kalibrering. De kan ha en Kibble-balans på fabriksgolvet. I det ljuset är den nya definitionen mer demokratisk — en som är fri att användas över hela världen och inte hålls inlåst i ett fall i Frankrike.

det finns dock några stora nackdelar med förändringen. ”Människor förstår inte ens det metriska systemet”, säger Abbott. ”Hur ska du förklara en Kibble-balans?”Definitionens komplexitet kan vara en avstängning för människor som vill lära sig om vetenskap. Ett grundskolebarn kan förstå att en metallbit väger ett kilo, men kvantmekanik?

Schlamminger hävdar att medan den nya definitionen är mer tekniskt komplicerad, ”filosofiskt är det enklare.”Kilogrammet kommer snart att definieras av universums grundläggande fysik, inte någon mänsklig maskinering.

Schlamminger har de grundläggande orden i det metriska systemet, ”för alla tider, för alla människor”, tatuerade på armen, tillsammans med siffrorna i Planck-konstanten. Det är så starkt han tror på idealet. Han ser detta arbete som ” avsluta bågen som började med den franska revolutionen.”Och det är komplett: med fredagens omröstning är kilogramet nu för alltid, för hela tiden och för alla människor.