De weg vrijmaken voor het transformeren van 's werelds meetsysteem, een internationale taskforce heeft geactualiseerde waarden vastgesteld voor vier fundamentele natuurconstanten. De bijgewerkte waarden vormen het laatste wetenschappelijke stukje van de puzzel voor het herdefiniëren van het moderne metrieke stelsel, bekend als het Internationale Stelsel van Eenheden (SI). Als het volgend jaar door een internationale instantie wordt goedgekeurd, de herziene SI maakt het mogelijk om overal ter wereld gezaghebbende metingen te doen.

De aanpassingen aan de constanten zijn klein en hebben geen invloed op het dagelijks leven. Maar een herziene SI die volledig is gebaseerd op nauwkeurige waarden van deze constanten, ondersteunt wetenschap en commercie en zorgt voor uniform nauwkeurige metingen die soepel schalen van bijna oneindig klein tot enorm.

Gebaseerd op state-of-the-art metingen van wetenschappers over de hele wereld, de bijgewerkte waarden van de constanten zijn opgesteld door de Task Group on Fundamental Constants (TGFC) van het Comité voor gegevens voor wetenschap en technologie (CODATA). Een paper met de nieuwe waarden is geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Metrologie .

Op 20 oktober, het Internationaal Comité voor Gewichten en Maatregelen (CIPM) heeft een resolutie ingediend waarin de herdefiniëring van de SI wordt aanbevolen aan de Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen (CGPM), de officiële instantie die wijzigingen aanbrengt in de SI. In november 2018, de CGPM zal formeel stemmen over de goedkeuring van het herziene systeem. De CGPM omvat leden uit tientallen landen, inclusief de VS en andere ondertekenaars van de Conventie van de Meter, het verdrag van 1875 dat meeteenheden op internationaal niveau standaardiseerde.

In de wereld van metingen, een SI gebaseerd op fundamentele constanten zal een verschuiving teweegbrengen. Tot nu toe, de CODATA TGFC bijgewerkte waarden van de constanten om de vier jaar, voor het laatst in 2014, en produceerde deze speciale update voor de vier constanten dit jaar in afwachting van de bijgewerkte SI.

"De waarden van deze vier constanten zullen niet meer veranderen, " zei Peter Mohr, een wetenschapper aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) en een lid van de CODATA TGFC. De waarden staan ​​vast en worden als exacte waarden vermeld, hij zei, net zoals de lichtsnelheid momenteel wordt gedefinieerd als een exacte waarde. Hierdoor kunnen wetenschappers zich concentreren op metingen die andere belangrijke grootheden vergelijken met de constanten.

Samen met eerder geaccepteerde constanten, de bijgewerkte waarden zouden de zeven basiseenheden van de SI opnieuw definiëren, waaronder de kilogram (de eenheid van massa), de kelvin (de eenheid van temperatuur), en de ampère (de eenheid van elektrische stroom).

Sinds 1889, de kilogram is bepaald door een platina-iridiumcilinder die in Frankrijk is opgeslagen, bekend als het internationale prototype van de kilogram, of, "Le Grand K." Wetenschappers van over de hele wereld moesten naar Frankrijk reizen en de kopieën van de kilogram in hun land vergelijken met het origineel om nauwkeurige massametingen in hun land vast te stellen.

In de tussentijd, temperatuur is gedefinieerd in termen van het "triple point" in een afgesloten glazen cel van water. Het tripelpunt is de temperatuur waarbij water, ijs en waterdamp bestaan ​​in evenwicht. Echter, het water in deze cellen kan chemische onzuiverheden bevatten die de tripelpunttemperatuur kunnen verschuiven naar onnauwkeurige waarden. En metingen van temperaturen hoger of lager dan het tripelpunt van water zijn inherent minder nauwkeurig.

De bijgewerkte constanten omvatten de Boltzmann-constante (die temperatuur aan energie relateert), en de constante van Planck (die massa kan relateren aan elektromagnetische energie), de lading van het elektron en de constante van Avogadro (de hoeveelheid die één mol van een stof definieert).

"Er zijn geen dramatische veranderingen. De Boltzmann-constante is zeer consistent met eerdere waarden, " zei Mohr. "De temperatuurexperts vroegen om acht cijfers voor de constante en het laatste cijfer was toevallig 0, "vertelde hij - een grappige situatie voor metrologen omdat ze de precisie van acht significante cijfers kunnen verkrijgen door er maar zeven te gebruiken.

"Er zijn verschillende manieren om de temperatuur te bepalen, maar de nieuwe definitie zal zeer nuttig zijn voor het meten van zeer hete en zeer koude temperaturen ver weg van het tripelpunt van water, " zei David Newell van NIST, voorzitter van de CODATA-taakgroep.

De constante van Planck is met 15 delen per miljard naar beneden verschoven ten opzichte van zijn eerdere waarde, vanwege nieuwe gegevens die sinds 2014 zijn verzameld. De constante van Planck werd bepaald door twee experimentele technieken, bekend als de Kibble-balans en de Avogadro-methode. Alle metingen die werden gebruikt voor het bepalen van de nieuwe Planck-waarde voldeden aan eerder overeengekomen internationale richtlijnen voor nauwkeurigheid en consistentie met elkaar.

De constante van Planck kan worden gebruikt om de kilogram te definiëren, en het gebruik van een fundamentele constante voor het definiëren van massa zal veel problemen oplossen, zei Newell. Massa moet over een zeer grote schaal worden gemeten, van een atoom tot een geneesmiddel tot een wolkenkrabber. "Aan de onderkant, je gebruikt momenteel één type natuurkunde om massa te bepalen; aan de hoge kant, je gebruikt een ander soort natuurkunde, " hij zei.

Maar de constante van Planck biedt een consistente manier om massa op al deze schalen te definiëren, met welke laboratoriummethode dan ook wordt gebruikt om massa te meten.

"Het maakt niet uit welke methode je gebruikt. Een constante is een constante, ' zei Mohr.

De droom is om de constante van Planck voor massa te gebruiken op dezelfde manier als licht wordt gebruikt om afstand te meten. In de SI, de lichtsnelheid wordt al gebruikt om de meter te definiëren, de lengte-eenheid. "Je gebruikt licht om de afstand tot de maan of de afstand tussen siliciumatomen te meten, " zei hij. De overstap naar een herziene SI is bedoeld om naadloos te zijn voor zowat iedereen in de wereld.

"Het hele ding is erop gericht om geen enkele impact te hebben op de gemiddelde persoon, ' zei Mohr.

Maar een SI gebaseerd op de nieuwe constanten zal naar verwachting de wereld van metrologie veranderen.

Le Grand K in Frankrijk zal niet langer precies één kilogram definiëren. In plaats daarvan, het zal waarschijnlijk een massa hebben van iets minder of iets meer dan één kilogram, tot binnen 10 delen per miljard in onzekerheid.

De volt zal ook veranderen, aangezien de constante van Planck ook zal helpen om deze in de herziene SI te definiëren. Een volt puur gebaseerd op de fundamentele constanten zal iets kleiner zijn, ongeveer 100 delen per miljard, dan de huidige wetenschappelijke realisatie van de volt, opgericht in 1990. Dus, de metrologische laboratoria op het hoogste niveau zullen hun uiterst nauwkeurige spanningsmetingen opnieuw moeten kalibreren.

"Mensen die zulke nauwkeurige metingen doen, zullen de verschuiving opmerken, ' zei Mohr.

Daarom is de officiële uitrol van de herziene SI gepland voor 20 mei, 2019, op Wereld Metrologiedag, om high-end metrologen de tijd te geven om zich aan de nieuwe waarden aan te passen.

"Het is een bredere filosofische paradigmaverschuiving, ' zei Mohr.

"Toen de snelheid van het licht een vast getal werd, onderzoekers stopten met het meten van de snelheid van het licht. Ze concentreerden zich op het realiseren van de meter. Hetzelfde geldt voor de constante van Planck. Je gaat de constante van Planck niet meer meten. Je gaat de massa- en elektrische normen nauwkeuriger realiseren."