Wanneer zijn twee nominaal identieke kilogrammassa's niet meer identiek? Wanneer elk naar een andere plaats gaat en verschillende hoeveelheden vocht en verontreinigingen adsorbeert.

Bij het onderzoeken van dit probleem, het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) en de National Research Council (Canada) werken samen met meetlaboratoria in Noord, Midden- en Zuid-Amerika om beter te begrijpen hoe de massa's precisiegewichten in de loop van de tijd stijgen en dalen.

Ze hopen dat de resultaten de internationale handel ten goede zullen komen, waarin zelfs kleine meetonnauwkeurigheden aanzienlijke gevolgen kunnen hebben.

Om ervoor te zorgen dat een pond aardappelen in de supermarkt ook echt een pond weegt, de balans van een winkel moet regelmatig worden gekalibreerd. Voor dit soort kalibratie, consumenten vertrouwen uiteindelijk op massa-artefacten, stukken metaal waarvan de massa nauwkeurig is gemeten. Wetenschappers kennen de massa omdat elk artefact op zijn beurt is vergeleken met andere artefacten in een ononderbroken reeks vergelijkingen die teruggaat tot de fundamentele definitie van massa zelf.

Standaardlaboratoria houden een groot aantal massa-artefacten bij voor vergelijkingen zoals deze, die uiteindelijk worden gebruikt om alles te kalibreren, van kruidenierswarenbalansen tot weegschalen. Van tijd tot tijd, deze laboratoria hebben een aanvullend of vervangend massaartefact nodig voor hun verzameling.

In de eerste maanden van zijn leven, echter, de massa van een nieuw artefact kan aanzienlijk veranderen als het vers gesneden metaal moleculen uit zijn omgeving adsorbeert.

Er is enige onenigheid over hoe lang wetenschappers moeten wachten voordat ze er zeker van kunnen zijn dat de massa van een nieuw artefact stabiel is. Dus, NIST en NRC Canada hebben het enorme nieuwe experiment ontworpen om dit probleem op te lossen.

Het experiment omvat 60 nominaal identieke gewichten van één kilogram, besteld te worden gemaakt van een enkele staaf van hoogwaardig roestvrij staal. Ongeveer de helft van deze 60 eenheden is gedistribueerd naar 29 landen binnen het Inter-American Metrology System (SIM), een netwerk van nationale metrologische instituten (NMI's) in Noord, Zuid- en Midden-Amerika, evenals eilandnaties.

Voor een jaar of langer, de SIM-vertegenwoordigers voor elk land zullen om de paar maanden de massa van hun artefact meten en de gegevens naar NIST en NRC Canada sturen. Ze zullen ook de omgeving van elke massa monitoren, inclusief de temperatuur van het laboratorium, barometrische druk, vochtigheid en vluchtige organische stoffen (VOS), een maatstaf voor de luchtkwaliteit.

"Het hele ding wordt een enorme stabiliteitsstudie op een schaal die nog nooit iemand heeft gedaan, " zei NIST-natuurkundige Patrick Abbott. "Omdat de massa's van dezelfde stalen staaf worden genomen, je zou verwachten dat ze op lange termijn dezelfde respons zouden hebben." de omstandigheden in de verschillende SIM-laboratoria zullen naar verwachting van invloed zijn op de snelheid waarmee de massa's veranderen, afhankelijk van kwaliteiten zoals hoogte en de hoeveelheid zout in de lucht. De eerste maanden van hun leven, de massa's werden vastgehouden in de VS en Canada. Nutsvoorzieningen, de helft daarvan zal worden opgeslagen in laboratoria nabij de evenaar en tot ver op het zuidelijk halfrond.

"Dus hoe gaat de massa veranderen?" zei Abbott. "Als ze eenmaal beneden zijn, ze zullen niet noodzakelijk hetzelfde patroon volgen als in Noord-Amerika."

Kattenhaar op zwarte broek

Een nieuw artefact, vers gesneden, is als een spons:het verzamelt moleculen uit de lucht, en hierdoor neemt de massa in de loop van de tijd iets toe. De nieuwe artefacten die in dit experiment zijn gebruikt, zijn minder dan een jaar oud en, daarom, in een stadium van relatief snelle gewichtstoename in de orde van grootte van 7 microgram (miljoensten van een gram) gedurende zes maanden. Dit klinkt misschien te klein om er toe te doen, maar zelfs kleine veranderingen - vooral als ze onvoorspelbaar zijn - kunnen onzekerheden in laboratoriummetingen veroorzaken.

"Deze gewichten veranderen, "Zei Abbott. "Ze halen dingen uit de lucht - een beetje zoals de zwarte broek in een huis met een witte kat."

Op een gegeven moment, dat proces stopt of vertraagt ​​meestal aanzienlijk. De vraag is, hoe lang moet een laboratorium wachten voordat het zeker weet dat zijn massa een stabiele fase heeft bereikt? En hoe verandert die periode afhankelijk van de locatie van het lab en de gemiddelde omgevingscondities?

Eerdere onderzoeken waren vaak kleinschalig, uitgevoerd in één laboratorium. Abbott en zijn collega's van NIST en NRC Canada vroegen zich af of een grotere inspanning zou helpen om discrepanties in eerdere resultaten op te lossen.

"Direct, veel van de onderzoeken die zijn gedaan, waren zeer gelokaliseerd:één laboratorium, een persoon, onder één reeks voorwaarden, "Zei Abbott. "Maar een andere persoon in een ander laboratorium zou hetzelfde onderzoek kunnen doen en zeggen:'onder deze voorwaarden, we hebben iets heel anders, '" vervolgde hij. Dus, wie heeft er gelijk?

"Hopelijk kan deze studie de vraag beantwoorden:als je een massa koopt voor je lab, wat is een redelijke verwachting wanneer u het daadwerkelijk in gebruik zou kunnen nemen, en er vertrouwen in hebben?" zei Abbott.

Meer dan massa alleen

Alvorens de artefacten uit te delen, NIST en NRC Canada hebben ze volledig gekarakteriseerd door hun dichtheid en hun magnetische gevoeligheid te meten, een kwaliteit van hoe het materiaal zich gedraagt ​​wanneer het wordt blootgesteld aan een magnetisch veld. Elk instituut nam de helft van de massa's:NRC Canada nam de even nummers, en NIST nam de oneven nummers.

Om de dichtheden van hun helft van de gewichten te meten, de Canadese wetenschappers gebruikten een hydrostatische techniek waarbij elk artefact achtereenvolgens werd gewogen in vloeistoffen met verschillende bekende dichtheden. In de tussentijd, NIST voerde hun tests aerostatisch uit, met behulp van een drukkamer die de artefacten in verschillende luchtdichtheden zou kunnen wegen.

Hoewel alle massa's nominaal identiek moesten zijn, Abbott was verrast toen hij ontdekte dat de eerste 15 gewichten die hij meet een duidelijk andere dichtheid hadden dan de tweede 15. Hij was bang dat hij een fout had gemaakt - totdat hij ontdekte dat zijn Canadese tegenhanger hetzelfde verschil in gewicht had gemeten.

"Het bleek dat de fabrikant twee verschillende stalen staven gebruikte met iets verschillende dichtheden, "Abbot zei, "en we zagen het in onze metingen."

Toen ze gegevens uitwisselden om te zien hoe nauw de nummers op elkaar waren afgestemd, Abbott zei, "het was prachtig, gewoon prachtig. We gebruikten twee heel verschillende technieken, en er was een uitstekende overeenstemming voor deze studie."

Eerder deze maand, NIST en NRC Canada verdeelden 29 van de 60 missen, één voor elk van de deelnemende Zuid- en Midden-Amerikaanse landen. De resterende artefacten zullen worden bewaard en gecontroleerd door NIST en NRC Canada totdat het onderzoek is voltooid.

Tot 19 mei, 2019, de werelddefinitie van massa zal gebaseerd blijven op het International Prototype Kilogram (IPK), een cilinder van metaal, gesmeed in de late 19e eeuw en bewaard in een laboratorium buiten Parijs, Frankrijk. Na deze datum, de formele definitie van een kilogram zal opnieuw worden gedefinieerd om te vertrouwen op een fundamentele natuurconstante. Echter, kilogramartefacten zullen naar verwachting nog steeds in veel toepassingen worden gebruikt, inclusief de verspreiding van de nieuwe massastandaard.