De NIST-replica van Le Grand K (voorkant), het internationale gewicht dat een kilogram definieert en wordt opgeslagen in een kluis in Frankrijk. Fysieke objecten worden vervangen door de constante van Planck als de definitie van een kilogram. J.L. Lee/NIST

Al bijna 150 jaar het officiële gewicht van een kilogram werd bepaald door een glanzende cilinder van platina die was opgesloten in een Franse kluis.

de kilo, zoals de meter en de tweede, is een van de zeven fundamentele meeteenheden (ook bekend als het internationale stelsel van eenheden of het metrieke stelsel, de "SI" in het kort). Deze werden voor het eerst geformaliseerd in het Verdrag van de Metre van 1875. Vroeger, de beste manier om overeenstemming te bereiken over het gewicht van een kilogram was om een ​​enkel stuk metaal te smeden en het 'Le Grand K' te noemen. En al meer dan een eeuw alle wetenschappelijke schalen werden terug gekalibreerd naar dat ene fysieke referentiepunt (met kopieën opgeslagen in een tiental landen).

Maar zelfs vaste objecten kunnen in de loop van de tijd veranderen. Toen Le Grand K in de jaren 80 werd gewogen, het was een paar microgram lichter, wat betekent dat alle zeer nauwkeurige wetenschappelijke weegschalen (niet die in uw badkamer) opnieuw moesten worden gekalibreerd. Dat is wat nerds een echte pijn in de massa noemen.

Gelukkig, teams van metrologen waren al op de zaak (metrologie is de wetenschap van maten en gewichten), zoeken naar een universele constante die een vaste waarde zou genereren voor de kilogram die nu en over een miljoen jaar geldt.

Ze hadden al zo'n natuurkundige oplossing gevonden voor de tweede, die in 1967 werd geherdefinieerd vanaf 1/86, 400ste van een dag tot iets veel verwarrender, maar constant. Het duurt 9, 192, 631, 770 oscillaties van een speciale microgolfbundel om atomen van de isotoop cesium-133 naar een hoger energieniveau te prikkelen. Aangezien dat aantal nooit zal veranderen (in tegenstelling tot de exacte lengte van een dag), dat is je nieuwe tweede!

Idem voor de meterkast. In plaats van te worden gedefinieerd als de lengte van een enkele, meter lange metalen paal gesmeed in 1889, het werd in 1983 opnieuw gedefinieerd als de afstand die licht in 1/299 in een vacuüm aflegt, 792, 458ste van een seconde.

Het duurde tot 2017 voordat wetenschappers van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) en soortgelijke instanties wereldwijd het eindelijk eens werden over een universele constante voor de kilogram. De prestatie vereiste het oplossen van een van de neteligste natuurkundige problemen van de vorige eeuw, het bedenken van een numerieke waarde voor de constante van Planck.

Zonder al te technisch te worden (dat kan hier), natuurkundige Max Planck bewees in 1900 dat materie energie afgeeft in discrete brokken die 'quanta' worden genoemd. Zijn vergelijking voor het meten van die energiepakketten bevatte een constante genaamd H , tot nu toe bekend als de constante van Planck. Dankzij Einstein, we weten dat energie en massa wiskundig gerelateerd zijn, dus kwamen natuurkundigen erachter dat de constante van Planck (die een vaste eenheid van energie is) 's werelds meest nauwkeurige massameting zou kunnen opleveren.

Het berekenen van de exacte waarde van de constante van Planck duurde tientallen jaren en een aantal serieuze technologische innovatie (met name een handig apparaat genaamd een Kibble Balance), maar nu weten zelfs afgeleide kleuters dat de constante van Planck 6,626070150 × 10 . is ^-34 kg⋅m ² /s. Ik bedoel, duh.

Half november, op de jaarlijkse bijeenkomst van het International Bureau of Weights and Measures (BIPM) in Versailles, Frankrijk, vertegenwoordigers van meer dan 60 landen stemden om een ​​nieuwe en eeuwige definitie van de kilogram goed te keuren, zoals berekend door de Planck-constante. Geen homp metaal meer - de massa van de kilogram is nu gekoppeld aan de constante van Planck. Er werden ook nieuwe definities aangekondigd voor SI-eenheden:de ampère (elektrische stroom), de kelvin (temperatuur) en de mol (aantal moleculen of atomen in een element). Deze nieuwe definities zijn op 20 mei in werking getreden, 2019.

Het originele platina kilogram prototype zal in die ondergrondse Franse kluis blijven, terwijl talloze generaties wetenschappers levensveranderende ontdekkingen doen met de kilogram 2.0.

Dat is nou cool

Jon Pratt, een van de belangrijkste metrologen bij NIST, kreeg een tatoeage van de Planck-constante om de prestatie van 2017 te vieren.