In Sèvres, een kleine gemeente aan de rand van Parijs, ligt een glanzende klomp metaal ter grootte van een handpalm. Le Grand K, of Big K zoals ze de platina- en iridiumlegering noemen, zit ondergronds in een zwaarbeveiligde kluis. Het wordt gehouden onder drie glazen stolpen, en kan alleen worden opgehaald met behulp van drie afzonderlijke sleutels, elk in het bezit van verschillende individuen.

In tegenstelling tot de schijn, knoeien en diefstal is niet de grootste zorg voor degenen die Big K bewaken. In plaats daarvan, de beheerders van het artefact hebben zich de afgelopen jaren zorgen gemaakt dat de legering niet helemaal voldoet aan de reputatie die het de afgelopen eeuw heeft gehad - dat het niet langer precies één kilogram in massa is, maar microgram lichter.

Ongeveer het gewicht van een zandkorrel er naast zitten lijkt misschien triviaal, maar Big K is het internationale prototype van de kilogram. Met andere woorden, het is de gouden standaard waarmee alle andere kilo's in de wereld worden gemeten. De kleinste discrepantie in de nauwkeurigheid van Big K heeft gevolgen voor gebieden zoals geneeskunde, elektronica en techniek, sectoren waar nauwkeurige metingen voorop staan. Maar een schommelende kilogram heeft ook effecten op andere fenomenen, zoals kracht, energie en lichtintensiteit - die het gebruiken als bouwsteen voor metingen.

Vanwege de verstrekkende gevolgen die een onnauwkeurige Big K heeft, wetenschappers zijn nu op zoek naar een betrouwbaardere en stabielere standaard voor de kilogram - een die niet op een enkel stuk metaal is gecentreerd. Hun doel:eind 2018 de kilogram opnieuw definiëren met behulp van een nieuwe fysieke standaard.

"We staan ​​op het punt getuige te zijn van een revolutionaire verandering in de manier waarop de kilogram wordt gedefinieerd, " zei natuurkundige Klaus von Klitzing tijdens een toespraak op CERN afgelopen oktober. Von Klitzing, die in 1985 de Nobelprijs voor natuurkunde won, is een van de wetenschappers die betrokken is bij de make-over van de kilogram.

De wijziging, velen argumenteren, is al lang geleden. De kilogram is een van de zeven basiseenheden die deel uitmaken van het International System of Units (SI), het meest gebruikte meetsysteem ter wereld. Oorspronkelijk werden zowel de kilogram als de meter bepaald door prototypes en werd de tijd bepaald door de aardrotatie, maar ondertussen zijn steeds meer basiseenheden verbonden met fysieke hoeveelheden natuur die ongeacht tijd of locatie hetzelfde blijven.

Een seconde, bijvoorbeeld, wordt gedefinieerd als de tijd die het cesium-133-atoom nodig heeft om 9, 192, 631, 770 stralingsperioden voor een bepaalde overgang. Vroeger werd één meter voorgesteld door een metalen staaf die naast Big K in Frankrijk was opgeslagen, maar wordt nu bepaald door de afstand die licht in 1/299 in een vacuüm aflegt, 792, 458 van een seconde.

De kilogram blijft de enige SI-eenheid die wordt weergegeven door een onstabiel artefact. Dus anno 2014 leden van de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten, de internationale instantie die toezicht houdt op het SI-systeem, gestemd om de kilogram te herdefiniëren in termen van de constante van Planck, een fundamentele constante van de kwantummechanica.

De herdefinitie is een groot probleem, zegt John Pratt van het National Institute of Standards and Technology (NIST), de instantie die verantwoordelijk is voor de standaardisatie van maten en gewichten in de Verenigde Staten. De nieuwe definitie betekent dat we kunnen overschakelen van "een 19e-eeuwse definitie van massa naar een meer 21e of 22e-eeuwse definitie van massa, "Zei Pratt. "We zouden het meer op een idee dan op een object kunnen baseren."

Wanneer de gouden standaard onstabiel is, zoals Big K heeft bewezen, het is een "enorm ongemak, "zei Pratt. Het onverklaarbare gewichtsverlies van Big K betekent dat zijn zustercilinders - gegoten uit Big K en over de hele wereld verscheept voor kalibratie - niet langer identiek zijn aan de gouden standaard. NIST's kopieën, bijvoorbeeld, verschillen ongeveer 45 microgram van Big K, het gewicht van een wimper. Dat heeft een aantal jaren geleden grote schade aangericht, wat ertoe leidt dat NIST certificaten opnieuw uitgeeft voor zijn kilogrammen, en bedrijven die gewichten produceren op basis van de NIST-normen, moeten nieuwe maken.

Het opnieuw definiëren van de kilogram volgens de constante van Planck zal dergelijke problemen helemaal helpen voorkomen. Echter, natuurkundigen moeten eerst een voldoende goede meting krijgen van de constante van Planck, het kwantummechanische getal dat betrekking heeft op hoe de energie van een deeltje is gerelateerd aan zijn frequentie en, via E=mc2, tot zijn massa. Zodra wetenschappers een exacte vaste waarde toekennen aan de constante van Planck, ze zullen een nieuwe definitie voor de kilogram kunnen afleiden.

Er lopen momenteel twee soorten experimenten, beide proberen de constante van Planck met buitengewone precisie te meten. De eerste is het Avogadro-project, geleid door een internationaal team van wetenschappers. Het omvat het tellen van het aantal atomen in twee siliciumbollen die elk hetzelfde wegen als Big K. Met dit aantal - het precieze aantal atomen waaruit een bepaalde stof bestaat - kunnen onderzoekers de constante van Avogadro berekenen, zet het om in een waarde voor de constante van Planck en relateer zo de kilogram aan de atomaire massa.

De tweede methode maakt gebruik van een apparaat genaamd een watt, of brokken, evenwicht. Het is een soort schaal die een waarde produceert voor de constante van Planck door een testmassa van één kilogram te meten, gekalibreerd met Big K, tegen een elektromagnetische kracht. De constante van Planck is evenredig met de hoeveelheid elektromagnetische energie die nodig is om de massa in evenwicht te brengen.

Om de stroom en spanning te berekenen waaruit de elektromagnetische kracht bestaat, natuurkundigen bij NIST, die het project leiden, gebruik twee verschillende universele constanten. Een daarvan is de Josephson-constante, terwijl de andere de constante van von Klitzing is. Het was de ontdekking van de laatste, onderdeel van het Quantum Hall-effect, waarmee von Klitzing in 1985 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg.

Vijf jaar eerder, van Klitzing, van het Max Planck Instituut voor Solid State Research in Duitsland, voerde experimenten uit om het effect te observeren van magnetische velden die worden toegepast op halfgeleiders die waren afgekoeld tot extreem lage temperaturen. Hij ontdekte dat in zijn experimenten de elektrische weerstand stapsgewijs toenam - een geheel getal van een bepaald getal, 25, 812.807 ohm, die nu de constante van von Klitzing wordt genoemd.

Het Quantum Hall-effect, zoals het fenomeen wordt genoemd, wordt nu wereldwijd gebruikt om elektrische weerstanden te kalibreren. Wetenschappers kunnen de constante van von Klitzing gebruiken om de stroom in een watt-balans te meten.

"Met behulp van fundamentele constanten, we hebben de mogelijkheid om eenheden op te richten die noodzakelijkerwijs hun betekenis behouden voor alle culturen, zelfs onaardse en menselijke, " was meer dan 100 jaar geleden een visionair statement van Max Planck en vandaag hebben we de kans om deze visie te realiseren. Het Quantum Hall-effect leidde tot deze realisatie.

Von Klitzing zal later deze maand in Singapore zijn om deel te nemen aan de jaarlijkse Global Young Scientists Summit. Het vijfdaagse evenement, georganiseerd door de National Research Foundation Singapore, is gericht op het vergemakkelijken van interacties van heldere, jonge internationale onderzoekers met vooraanstaande wetenschappers om belangrijke gebieden van wetenschap en onderzoek te bespreken, technologische innovatie en samenleving, en oplossingen voor mondiale uitdagingen.

Een van de onderwerpen die ter discussie staan, is de make-over van de kilogram. In november, leden van de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten zullen samenkomen in Versailles, Frankrijk, om te stemmen over de nieuwe definitie van de kilogram, naast die van de ampère, kelvin en mol. Indien goedgekeurd, de bijgewerkte en vaste waarden worden van kracht vanaf 20 mei, 2019, op Wereld Metrologiedag.