fyrre meter under jorden i Gaithersburg, Maryland, i et lyst hvidt laboratorium, der kræver tre separate nøgler for at komme ind, USA gemmer en dyrebar samling af små, skinnende metalcylindre, der bogstaveligt talt definerer massen af alt i dette land.

de er smukke med spejlfinisher, og jeg er nødt til at modstå trangen til at røre ved dem. Hvis jeg rørte ved dem, kunne jeg forurene dem med olie fra min hud og potentielt øge deres vægt. Patrick Abbott,” keeper of the kilogram ” her på National Institutes of Standards and Technology (NIST), fortæller mig, at dette ville være meget dårligt.

i øjeblikket har kilogrammet en meget enkel definition: det er massen af en hunk af platin-iridiumlegering, der har været anbragt på Det Internationale Bureau for vægte og målinger i S. Det hedder Den Internationale Prototype Kilogram (aka. Big K, eller Le Grand K), og det har mange eksemplarer rundt om i verden — herunder syv på NIST i Gaithersburg — der bruges til at kalibrere skalaer og sørge for, at hele verden er på et målesystem.

Her er en af kopierne på NIST, kaldet K4, smedet af det samme stykke metal, hvorfra Big K blev oprettet i det 19.århundrede.

Tag et godt kig på det. Fordi meget snart vil denne 129-årige standard for kilogrammet ændre sig.

på fredag mødtes forskere fra hele verden på generalkonferencen om vægte og mål i Versailles, Frankrig, og stemte for at ændre definitionen af et kilogram og binde det til en universel konstant i naturen. Ændringen træder i kraft den 20. maj 2019.

en vigtig årsag til ændringen er, at Big K ikke er konstant. Det har mistet omkring 50 mikrogram (ca.massen af en øjenvipper) siden den blev oprettet. Men frustrerende, når Big K mister masse, er det stadig nøjagtigt et kilogram pr.

Når Big K ændres, skal alt andet justeres. Eller endnu værre: hvis Big K blev stjålet, ville vores verdens system med massemåling blive kastet i kaos.

med afstemningen fredag valgte verdens topmålingsforskere at anbringe kilogrammet til Planck — konstanten, et grundlæggende koncept i kvantemekanik, der aldrig nogensinde kan ændre sig-her på jorden eller i universets dybe rækkevidde.

Dette er mere end en videnskabelig sejr. Det er også filosofisk, som jeg lærte af NIST-forskerne, der har arbejdet i årevis med omdefinering og kalder dette øjeblik den mest spændende tid i hele deres karriere.

Med den nye definition fuldender generalkonferencen om vægte og mål den oprindelige drøm om det metriske system , som blev omfavnet midt i den franske Revolution. Det metriske system-som udviklede sig til det internationale system af enheder, eller SI — var designet til at være “for alle tider, for alle mennesker.”

” objekter ændres altid, ” siger Stephan Schlamminger, en NIST-videnskabsmand, der er involveret i omdefineringen. Med den nye definition siger han:” vi går fra et objekt “på jorden” til de ting, der er i himlen.”

og det er noget værd at fejre. I en verden, hvor alt altid ser ud til at være i bevægelse, har disse forskere nu sørget for, at kilogrammet aldrig vil ændre sig.

en kort historie af kilogrammet

hvordan ved du, hvad noget vejer? Jeg ved, der er et indlysende svar: du sætter det på en skala.

men når du går til en købmand og vejer et bundt æbler, hvordan ved den skala, hvordan et pund frugt føles?

for at massemålinger skal give mening, har vi brug for et fast sammenligningspunkt. Disse æbler skal veje mere eller mindre end noget. For at undgå kaos og lade vores økonomi fungere, skal noget anerkendes universelt.

vægten i din købmand blev kalibreret med en vægt, der blev kalibreret med en vægt, der blev kalibreret med en vægt osv. Og alle disse kalibreringer spores tilbage til lige her, i NIST ‘ s indre. Konsekvente vægte og målinger betyder mere end dagligvarer: Forestil dig, om Boeing ikke kunne finde ud af præcist, hvad et fly vejer, eller hvis medicinalindustrien ikke kunne bestemme den nøjagtige masse af en lille, potentielt dødelig dosis medicin.

i USA bruger vi stadig kejserlige enheder: pund og ounces. Men virkelig er alle vores målinger afledt af det internationale system af enheder, eller SI, der bruger meter og kilo som de grundlæggende enheder af længde og masse.

når det kommer til masse i USA, sporer alt tilbage til disse puckformede cylindre, som netop er bearbejdet til at veje 1 kg. Officielt i USA er 1 pund defineret som 0,45359237 kg. En fod er defineret som 0,3048 meter.

men systemet var ikke altid så ordnet. Før den franske Revolution og opfindelsen af det metriske system var vægt-og målesystemerne verden over et kaotisk, uregerligt rod.”Forestil dig en verden, hvor hver gang du rejste, måtte du bruge forskellige konverteringer til målinger, som vi gør for Valuta,” forklarer MADHVI Ramani fra BBC. “Dette var tilfældet før den franske Revolution i slutningen af det 18.århundrede, hvor vægt og mål varierede ikke kun fra nation til nation, men også inden for nationer.”

den franske Revolution handlede om at vælte gamle, arkaiske, kaotiske hierarkier, der var tilbage fra den feudale æra, og genskabe samfundet med egalitære principper i tankerne.

inspireret af revolutionen ønskede forskere på det tidspunkt at starte frisk på et nyt, konsistent målesystem, der ikke baserede enheder på vilkårlige mandater fra konger, men på naturen. Målet var at skabe et målesystem “for alle tider, for alle mennesker.”

da Det Internationale Bureau for vægte og mål blev grundlagt i Frankrig i slutningen af 1800 ‘ erne, blev måleren — standardlængden — skabt til at være en ti milliontedel af afstanden fra Nordpolen til ækvator. Grammet henter inspiration fra vandtætheden: det er omtrent lig med massen på 1 kubikcentimeter vand, der holdes ved 4 liter C.

for at formidle disse nye enheder — for at sikre, at alle i verden forstod dem — besluttede opfinderne af det metriske system at skabe fysiske objekter for at legemliggøre og definere dem. De lavede en metalstang til at være præcis 1 meter lang. De skabte Big K til at repræsentere massen på 1 kg eller 1.000 gram.

siden det 19.århundrede er alle de fysiske relikvier fra det gamle metriske system blevet erstattet af målinger fastgjort til konstante naturkræfter. Måleren blev oprindeligt defineret som en andel af Jordens størrelse. Men selv verdens form er ikke permanent. Heck, jorden er måske ikke engang permanent. Så i dag er måleren defineret af lysets hastighed. Den anden er fastgjort til bevægelsen af atomerne i elementet cæsium.

kun kilogrammet er stadig defineret af et fysisk objekt, for nu.

så hvad er denne nye definition af kilogrammet? Forbered dig, fordi det er lidt af en sludder.

videnskaben om at omdefinere kilogrammet med hensyn til Planck-konstanten, forklarede

fredagens afstemning på generalkonferencen om vægte og mål vedtaget enstemmigt. Men ændringerne træder først i kraft i maj 2019. Når ændringen kommer, her er hvordan kilogrammet vil blive defineret i det internationale enhedssystem:

kilogrammet, symbol kg, er SI-masseenheden. Det defineres ved at tage den faste numeriske værdi af Planck-konstanten h til at være 6.626 070 15 liter 10-34, når den udtrykkes i enheden J s , hvilket er lig med kg m2 s -1, hvor måleren og den anden er defineret i form af c og kurstvc ‘ er.

hvad pokker?

det er meget sværere at forklare end en klump metal i Frankrig. Men lad os prøve.grundlæggende vil generalkonferencen om vægte og mål fastsætte værdien af Planck-konstanten, som beskriver, hvordan de mindste stykker stof frigiver energi i diskrete trin eller bidder (kaldet kvanta).

med afstemningen fredag vil Planck-konstanten nu og for evigt blive indstillet til 6.62607015 til 10-34 m2 kg / s. og fra denne faste værdi af Planck-konstanten kan forskere udlede massen af et kilogram.

denne omdefineringsindsats har taget årtier, fordi Planck-konstanten er lille (den starter med et decimaltegn og efterfølges af 33 nuller) og skulle beregnes ned til en super-lille fejlmargin. Arbejdet krævede omhyggelige målinger med en utrolig kompliceret maskine kaldet Kibble balance (mere om det nedenfor) samt observationer af en ekstremt rund kugle af silicium.

denne forklaring kan virke uklar. Og det er det. Men for bedre at sætte pris på det, er det nyttigt at se på, hvordan måleren — verdens standard længdeenhed — blev omdefineret med hensyn til lysets hastighed som et eksempel på, hvorfor dette var nødvendigt.

måleren blev oprindeligt defineret som længden af en stang ved Det Internationale Bureau for vægte og mål i Frankrig. (Det blev derefter omdefineret til at være lig med en bestemt bølgelængde af stråling.) Igen var problemet med denne definition dets upræcision. Det var ikke baseret på universets uforanderlige egenskaber.

lyshastighed er derimod en uforanderlig 299.792.458 meter pr. Uanset hvor du er, tror forskere, det forbliver det samme. (I det mindste, hvis det ændrer sig, ville det øge det meste af alt, hvad vi ved om fysik.)

i 1983 var fysikere blevet rigtig gode til at måle lysets hastighed. Så de brugte det til at fastsætte længden af måleren for evigt for at gøre den permanent. Sådan gør du: de omdefinerede måleren til at være lig med afstanden lys bevæger sig i et vakuum i 1/299,792,458 af et sekund. I det væsentlige er definitionen af måleren nu bagt ind i definitionen af lysets hastighed.

Der er en poesi til dette: forskere tog måleren — en vilkårlig længdemåling opfundet af mennesker — og anbragte den til en universel konstant. Vores rodede menneskelige målinger har overskredet deres rodede menneskelighed; de er blevet smeltet sammen med en evig sandhed.

den nye, lysdefinerede måler har samme længde som den gamle målerstandard i Paris. Men i modsætning til den gamle standard i Paris, kan definitionen af måleren aldrig nogensinde ændre sig.

det samme sker med Planck-konstanten. Ligesom lysets hastighed er Planck-konstanten en universel sandhed, der aldrig vil ændre sig.

Ved at indstille en endelig værdi af Planck — konstanten — hvis enheder inkluderer kilogrammet, ligesom enhederne med lysets hastighed inkluderer måleren-størrelsen på et kilogram er for evigt stabil. Du kan også tænke på det sådan: kilogrammet er forankret til Planck-konstanten, hvor det vil hvile for evigt.

(måske hvis du har læst tæt, har du bemærket, at der er lidt af et kylling-og-æg problem her. Hvordan søger du at definere en måler med hensyn til lysets hastighed, hvis dine målinger af lysets hastighed også indeholder enheden “meter”? Det er det samme for Planck-konstanten: den indeholder kilogram i sine enheder. Kort svar: Dette er grunden til, at de mennesker, der arbejder med disse problemer, har ph.d. ‘ er.)

Kibble-balancen er den maskine, der gør alt dette muligt

omdefinering af kilogrammet med hensyn til Planck har været en enorm udfordring, en der har taget årtier at gennemføre.

for en måtte forskere være i stand til at måle Planck-konstanten i en ekstremt præcis grad. Hvis vores estimat af lysets hastighed havde en stor fejlmargin, ville det ikke være et pålideligt anker at måle en meter. Det samme gælder Planck.

i årtier har forskerne ved NIST såvel som et par andre laboratorier rundt om i verden brugt en maskine kaldet Kibble balance (undertiden benævnt vandbalancen) til præcist at måle Planck konstant i en omhyggelig nok grad til, at den kan bruges til at omdefinere kilogrammet.

ligesom kilogram-standarderne er Kibble-balancen placeret dybt under jorden ved NIST. Det er bygget på et betongulv, der bogstaveligt talt kan flyde over bygningens fundament for bedre at isolere dets følsomme udstyr fra vibrationer fra resten af anlægget. Jeg er nødt til at bære et plastnet over mit hår og sko for at se det, fordi noget snavs kan smide det ud af kalibrering.

Hvis victorianerne havde bygget en tidsmaskine og parkeret den i et bryggeri, kunne jeg forestille mig, at det ville se sådan ud.

Kibble-balancen fungerer lidt som en simpel massebalance. Forestil dig den ene Lady Justice holder i hånden: den har to pander, der balancerer på et centralt punkt. En simpel balance sammenligner to vægte på hver af panderne med det formål at sidestille dem.Kibble-balancen-opkaldt efter sin afdøde opfinder, den britiske fysiker Bryan Kibble — gør noget lignende, men med en kvantemekanisk vridning. Det svarer til den mekaniske energi, der udøves af massen af et objekt med en tilsvarende mængde elektrisk energi.

formlen Kibble balance udbytter at sidestille masse og elektrisk strøm er kompliceret. (NIST-forskerne bragte mig til tavlen vist nedenfor for at forklare.)

det vigtige er, at i den ligning — blandt alle de variabler, der spiller, som omfatter masse, hastighed, gravitationstræk, magnetisme og elektricitet — ligger Planck konstant. Og ved hjælp af denne maskine kunne forskere løse for Planck. Matematikken fungerer, fordi , som Albert Einstein lærte os med sin mest berømte ligning E=mc2, masse og energi er i det væsentlige forskellige udtryk for den samme ting.

nu tænker du måske: Hvad gør Kibble-balancen nu, da den er defineret Planck-konstanten?

Nå, det erstatter behovet for Big K i Frankrig, fordi det nu kender massen af et kilogram med hensyn til Planck-konstanten. Og det vil være en præcis måling, en måde at fortsætte med at sikre, at et kilogram stadig er et kilogram, der kan bruges til at veje objekter og bestemme deres masse i henhold til den nye standard.

“lige nu er vores kvalitetssikring af stabiliteten af baseret på aftale,” siger Abbott. “Vi siger, at det ikke vil ændre sig. Vores kvalitetssikring af Kibble-balancen er, at den er baseret på en naturkonstant, der er blevet målt strengt af hele verden. og vi ved, at det ikke ændrer sig. Det er hele forskellen i verden.”

demokratiseringen af vægte og mål er i gang

stadig med mig?

Hvis du glansede over det hele, her er hvad al denne ændring koger ned til: Vi har ikke længere brug for en regering — USA, Frankrig, hvem som helst — eller et internationalt styrende organ for at fortælle os, hvad et kilogram er. Det vil være en grundlæggende sandhed i universet, tilgængelig for alle med det rette udstyr til at realisere det.

i teorien kan enhver opbygge en Kibble balance. (Jeg får at vide, at der er miniaturiserede på vej.) “De kan bygge dette eksperiment, og de kan måle enhver masse, de ønsker, ethvert materiale, bare sætte det på balancen, og du får værdien af massen, absolut, med hensyn til Planck-konstanten,” siger Darine El Haddad, der kører Kibble balance-eksperimentet hos NIST. Kibble balance giver mulighed for en” absolut måling ” siger hun.

i fremtiden behøver fremstillingsindustrien ikke at sende deres vægte og vægte til NIST til kalibrering. De kunne have en Kibble balance på deres fabriksgulv. I det lys er den nye definition mere demokratisk — en, der er fri til at blive brugt over hele verden og ikke holdes indesluttet i en sag i Frankrig.

der er dog nogle store ulemper ved ændringen. “Folk forstår ikke engang det metriske system,” siger Abbott. “Hvordan vil du forklare en Kibble balance?”Definitionens kompleksitet kan være en afbrydelse for folk, der ønsker at lære om videnskab. Et grundskolebarn kan forstå, at en hunk af metal vejer et kilogram, men kvantemekanik?

Schlamminger hævder, at mens den nye definition er mere teknisk kompliceret, “filosofisk er det enklere.”Kilogrammet vil snart blive defineret af universets grundlæggende fysik, ikke en menneskelig bearbejdning.

Schlamminger har de grundlæggende ord i det metriske system, “for alle tider, for alle mennesker,” tatoveret på armen sammen med cifrene i Planck-konstanten. Det er så stærkt han tror på idealet. Han ser dette arbejde som ” efterbehandling af buen, der startede med den franske Revolution.”Og det er komplet: med fredagens afstemning er kilogrammet nu for evigt, for alle tider og for alle mennesker.