In een onderaards gewelf in een buitenwijk van Parijs ligt een kleine, zelden geziene metalen cilinder bekend als Le Grand K.

Al 130 jaar deze hunk ter grootte van een golfbal van 90% platina en 10% iridium heeft gediend als het internationale prototype-kilogram. Dat betekent dat het het enige fysieke object was waarmee alle andere kilogrammen over de planeet werden gemeten.

Als microscopisch kleine verontreinigingen in de lucht ervoor zorgden dat Le Grand K wat zwaarder werd, de kilo zelf werd een beetje zwaarder. Als een grondige reiniging of een kleine kras ervoor zorgde dat het iets lichter werd, de kilogram zelf werd ook lichter. Inderdaad, wordt geschat dat in de loop van zijn leven, Le Grand K heeft 50 microgram massa verloren.

Maar aan de lange regeerperiode van Le Grand K komt een einde.

Vanaf maandag, de kilogram wordt niet opnieuw gedefinieerd door een ander object, maar door een fundamentele eigenschap van de natuur die bekend staat als de constante van Planck. Zoals de snelheid van het licht, de waarde van de constante van Planck kan niet fluctueren - hij is met voortreffelijke precisie ingebouwd in het weefsel van het universum.

"In tegenstelling tot een fysiek object, een fundamentele constante verandert niet, " zei Stephan Schlamminger, een natuurkundige aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, Md. "Nu zal een kilogram dezelfde massa hebben, of je nu op aarde bent, op Mars of in de Andromeda-melkweg."

Onderzoekers die hun leven hebben gewijd aan de wetenschap van het meten, zeggen dat de nieuwe definitie van de kilogram - en soortgelijke veranderingen aan de mol (die hoeveelheden van zeer kleine deeltjes meet), de ampère (die de elektrische lading meet) en de kelvin (die de temperatuur meet) - vertegenwoordigt een diepgaand keerpunt voor de mensheid.

"Het vermogen om met toenemende nauwkeurigheid te meten maakt deel uit van de vooruitgang van onze soort, " zei Walter Copan, directeur van NIST.

De meesten van ons, gewone mensen, zullen de omschakeling nauwelijks opmerken. Een kip van 4 pond (1,81437 kilogram) bij de supermarkt of een pond koffiebonen (0,453592 kg) bij Starbucks blijft precies hetzelfde.

"We willen het systeem niet schokken, ' zei Schlamminger.

Het besluit om vier basiseenheden van het Internationale Stelsel van Eenheden te herdefiniëren werd in november genomen tijdens de 26e Algemene Conferentie over Maten en Gewichten in Versailles, Frankrijk. Afgevaardigden uit 60 lidstaten verzamelden zich in een groot auditorium voor de historische stemming. Het was unaniem. Een staande ovatie en champagnetoost volgden.

"De bijeenkomst zelf was een elektrische ervaring, " zei Copán, die de VS vertegenwoordigde "Het was een lange reis om op dit punt te komen."

De oorsprong van het metrieke stelsel gaat terug tot de Franse Revolutie aan het einde van de 18e eeuw. Destijds, naar schatting 250, 000 verschillende meeteenheden werden gebruikt in Frankrijk, maken van commercie en handel een uitdaging. Het nieuwe systeem is ontworpen om rationeel en universeel te zijn, met eenheden gebaseerd op eigenschappen van de natuur in plaats van koninklijk besluit of de grillen van plaatselijke hertogen en magistraten.

"Het idee was dat deze metingen eeuwig zouden zijn en voor iedereen hetzelfde, overal, " zei Ken Alder, een wetenschapshistoricus aan de Northwestern University in Evanston, Ziek.

De fundamentele eenheid van het systeem was de meter, die verondersteld werd een tienmiljoenste te zijn van de afstand van de Noordpool tot de evenaar langs de meridiaan van Parijs. (Wetenschappers maakten destijds een kleine fout in hun metingen, en de meter is ongeveer 2 millimeter langer dan zou moeten.)

Tegelijkertijd, de kilogram werd gedefinieerd als de massa van 1, 000 kubieke centimeter water bij 4 graden Celsius.

Deze eenheden werden in 1795 door de Franse Republiek geadopteerd, hoewel in de praktijk mensen bleven decennialang hun eigen lokale metingen gebruiken.

"Het is niet zo dat iedereen op de kar sprong zodra het metrieke stelsel werd geformaliseerd, " zei Barry Taylor, een wetenschapper emeritus bij NIST. "Dat was zeker niet het geval."

Landen in Europa en Zuid-Amerika hebben het metrieke stelsel gedurende de 19e eeuw overgenomen. in 1875, afgevaardigden uit de VS en 16 andere landen ondertekenden het Verdrag van de Meter in Parijs. Het vestigde een universeel systeem van eenheden op basis van de meter, de kilogram en de tweede die de handel tussen landen zou stroomlijnen. (De tweede werd gedefinieerd als 1/86, 400 van de gemiddelde tijd die de aarde nodig heeft om een ​​enkele rotatie om haar as te voltooien.)

Hoewel de meter en de kilogram waren gebaseerd op de grootte van de aarde, ze werden officieel gedefinieerd door metalen artefacten, waaronder Le Grand K, die in 1889 in Londen werden gegoten en bewaard in een kluis in de kelder van het nieuw opgerichte International Bureau of Weights and Measures in Sevres, Frankrijk. Lidstaten ontvingen een van de 40 nauwkeurige replica's.

Het Verdrag van de Meter richtte ook de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten (CGPM) in, een internationale groep die belast is met het bestuderen van en stemmen over voorgestelde wijzigingen in meeteenheden voor alle lidstaten.

"Metrologie is een levende wetenschap, ' zei Schlamminger.

De CGPM keurde in 1954 nog drie basiseenheden goed:de ampère voor elektrische stroom, de kelvin voor thermodynamische temperatuur en de candela voor lichtsterkte.

In 1967, het herdefinieerde de tweede op basis van de oscillaties van een cesium-133-atoom - een veel preciezere en betrouwbaardere slinger dan de enigszins wankele rotatie van de aarde.

In 1983, de meter werd de eerste metrische eenheid die was gekoppeld aan een fundamentele eigenschap van het universum toen het werd geherdefinieerd als de afstand die licht in een vacuüm aflegde in {99, 792, 458 van een seconde.

"Vandaag de dag kunnen we de afstand van de aarde tot een satelliet op 6 kilometer afstand meten tot de voortreffelijke precisie van 6 millimeter, "Zei Schlamminger. "Probeer dat maar eens met een meterstok."

En toch bleef de kilogram vastgebonden aan de massa van Le Grand K, een object dat zo kostbaar was dat het slechts eens in de 40 jaar uit zijn drievoudig vergrendelde kluis werd verwijderd voor reiniging en kalibratie.

Metrologen verlangen er al sinds het begin van de twintigste eeuw naar om de definitie van de kilogram bij te werken. maar het vermogen om de constante van Planck met de nodige precisie te meten, kwam pas onlangs tot stand.

De constante van Planck is een getal dat de energie en frequentie van licht relateert, een beetje zoals hoe pi de omtrek en diameter van een cirkel relateert. De technologische vooruitgang die de waarde van de constante bepaalde, kwam met horten en stoten.

In de jaren zeventig, wetenschappers van het Britse National Physical Laboratory hebben een nieuw type schaal ontwikkeld die massa in verband brengt met elektromagnetische kracht. Het werd de Kibble-balans genoemd ter ere van zijn uitvinder, Bryan Kibbel, en hoewel het nog niet nauwkeurig genoeg was om de kilogram te herdefiniëren, het suggereerde een weg vooruit.

Tegen 2005, metingen gemaakt met de Kibble-balans waren voldoende verbeterd dat een groep onderzoekers die onder metrologen bekend staat als de Bende van Vijf, een paper schreef met de titel:"Herdefinitie van de kilogram:een beslissing waarvoor de tijd rijp is."

"Die krant begon echt deze hele odyssee, ' zei Schlamminger.

In 2013, deskundigen waren het erover eens dat om de definitie te wijzigen, nationale metrologische instituten zouden de constante van Planck moeten meten tot een nauwkeurigheid van 20 delen per miljard, en laten zien dat twee verschillende methoden om de meting uit te voeren hetzelfde antwoord zouden opleveren.

"Eén experiment kan een verborgen defect hebben, maar als je twee totaal verschillende benaderingen hebt en ze komen overeen, dan is de kans dat je het helemaal mis hebt inderdaad erg klein, " zei Ian Robinson, een onderzoeker bij het National Physics Laboratory.

Kibble-saldi leverden één waarde op. De andere meting betrof een bol ter grootte van een softbal van puur verrijkt silicium. De structuur van de bol van 1 kilogram, en de atomen erin, stelde wetenschappers in staat om de constante van Avogadro nauwkeurig te meten, die het aantal atomen of moleculen in een stof relateert aan zijn massa. Dat werd gebruikt om de constante van Planck te bepalen met behulp van goed begrepen vergelijkingen.

"De siliciumbol diende als controle op de Kibble-balansbenadering, ' zei Taylor.

Een vergelijkbare filosofie van het gebruik van vaste constanten ligt ten grondslag aan de nieuwe definities van de mol, de kelvin en de ampère. Na maandag, de mol wordt bepaald door de waarde van de constante van Avogadro, de Kelvin door de waarde van de Boltzmann-constante (die temperatuur relateert aan energie), en de ampère door de waarde van de elementaire lading, de kleinste waarneembare lading in het heelal.

"Iedereen heeft toegang tot deze fundamentele constanten, "Zei Schlamminger. "Ze maken geen onderscheid tussen arm en rijk. Het enige wat je nodig hebt is een beetje natuurkunde."

Ook maken ze geen onderscheid tussen aardbewoners en wezens elders in het universum. Net zoals de eerste iteratie van het metrieke stelsel de communicatie en handel tussen naties stroomlijnde, de nieuw gedefinieerde eenheden zouden op een dag de mensheid kunnen helpen communiceren met buitenaardse wezens, zeiden wetenschappers.

"Als we contact maken met buitenaardse wezens, waar gaan we het met ze over hebben? Natuurkunde. Er is niets anders, "Zei Schlamminger. "Maar als je buitenaardse wezens vertelt dat onze meeteenheden gebaseerd zijn op een stuk metaal, je zult het lachertje van de melkweg zijn."

Wetenschappers weten niet hoe de nieuwe eenheden toekomstige ontdekkingen zullen beïnvloeden, maar het is zeker mogelijk dat ze dat zullen doen. Bijvoorbeeld, de tweede kan nu zo nauwkeurig worden gemeten dat onderzoekers kleine veranderingen in het zwaartekrachtveld van de aarde kunnen detecteren, omdat de tijd net iets sneller gaat naarmate hij verder van een zwaartepunt komt.

"Heer Kelvin, een van de leiders op het gebied van metrologie zei:'Meten is weten, '" zei Copan. "Omdat we met toenemende precisie kunnen meten, we zijn in staat om meer te leren over de fundamenten van ons universum en de fundamenten van het leven."

Robinson zei dat de nieuwe definities wetenschappers in staat zullen stellen hun fantasie de vrije loop te laten over de meetmogelijkheden.

"Vanaf nu, ze hoeven niet na te denken over deze klomp platina en iridium in Parijs - ze hoeven alleen maar aan natuurkunde te denken, " hij zei.

©2019 Los Angeles Times
Gedistribueerd door Tribune Content Agency, LLC.