RIP de Kilogram, die nooit meer hetzelfde zal zijn

De meeste mensen weten hoeveel een pond weegt - 16 ons. De wereldse onder ons kan weten dat een kilogram 2,2 pond oftewel 1000 gram is. Maar wij ook werkelijk weet wat deze cijfers betekenen? Overeenstemming over meeteenheden is een stuk ingewikkelder dan het lijkt, en de manier waarop mensen het eens zijn over gewichten over de hele wereld staat op het punt volledig te veranderen.

Al meer dan een eeuw lang is de wereldstandaard voor de kilogram het internationale prototype van de Kilogram, een cilinder van platina en iridium die in Frankrijk wordt opgeslagen bij het Bureau International des Poids et Mesures (Internationaal Bureau voor Gewichten en Maten). De BIPM is een internationale organisatie die helpt de internationale wetenschap en handel te standaardiseren door normen vast te stellen voor metingen waarover we het allemaal eens kunnen worden. Daarom heeft de BIPM de IPK: zonder deze zware kleine cilinder zou de wereld geen standaard kilogram hebben om te bepalen wat een kilogram weegt. Kopieën van de IPK (soms liefkozend 'Le Grand K' genoemd) zijn over de hele wereld verspreid, zodat lidstaten de standaard kunnen handhaven en om de 40 jaar wordt de IPK gemeten om er zeker van te zijn dat deze nog steeds een kilogram is. Recente metingen hebben echter aangetoond dat de massa's van deze Grand K's uiteenlopen, wat een chaos kan betekenen voor handel, wetenschap en mogelijk gevoelige velden als raket, waarbij berekeningen nauwkeurig moeten zijn.

Dit systeem klinkt misschien bizar en archaïsch, maar er is een goede reden waarom de wereld dit referentiegewicht al zoveel jaren gebruikt: het is echt moeilijk om erachter te komen wat een kilogram op een andere manier is. Dit is waarom.

Terwijl we kunnen denken dat verschillende maateenheden hun eigen natuurlijke wetten zijn, gedefinieerd met betrekking tot elkaar - bijvoorbeeld, een dag is 24 uur, en een uur is 60 minuten, en een minuut is 60 seconden - de waarheid is dat eenheden van metingen zijn historisch gedefinieerd in termen van een concreet verschijnsel in de wereld. In de metrologie, de studie van de meting, staan ​​deze concrete fenomenen bekend als artefacten.

Zoals lucht- en ruimtevaartingenieur Max Fagin in een tweet-thread schetste op donderdag, hebben wetenschappers er in de loop der jaren een lange weg afgelegd om uit te zoeken hoe je voorbij artefacten kunt gaan, zodat ze dingen kunnen meten zonder het naast andere dingen te hoeven zetten. Een seconde werd bijvoorbeeld gemeten als een 1 / 31556925.9747 van de tijd die de aarde nodig heeft om rond de zon te gaan. Nu wordt het gedefinieerd als de hoeveelheid tijd die het kost voordat een elektron in een cesium-133-atoom 9.192.631.770 keer oscilleert. Dit klinkt misschien onnodig specifiek en eerlijk gezegd bizar, maar door een meeteenheid te definiëren in termen van het gedrag van een atoom, kunnen wetenschappers met een redelijke mate van zekerheid zeggen dat een seconde een seconde is, ongeacht waar je bent in het universum - en nee het maakt niet uit of je een stopwatch hebt.

Kortom, wetenschappers hebben het standaard referentiepunt verplaatst voor metingen van door de mens gemaakte objecten en op universele constanten. Alles behalve de kilogram.

November is hier, en dat betekent dat er een enorme verandering komt. En met "massaal" verwijs ik natuurlijk naar de herdefinitie van de kilogrameenheid van massa die de wereld al meer dan 100 jaar opbouwt. Laat het me uitleggen: pic.twitter.com/FnOmq4dFTF

- Max Fagin (@MaxFagin) 1 november 2018

De tweede, zoals de kilogram, meter en vier andere eenheden, vormen de Systéme International-eenheden. Dit zijn de meest elementaire meeteenheden waarop alle anderen zijn gebaseerd. Tegenwoordig kunnen de meeste SI-eenheden zonder een of ander artefact worden bepaald, maar het meten van een kilogram is veel moeilijker omdat het complexe berekeningen vereist die ingewikkelder worden gemaakt door de zwaartekracht. Immers, hoewel we dikwijls denken aan massa en gewicht, zijn ze dat niet. Massa, gemeten in kilogram, is hoeveel materie een object is. Maar dat is hoe wetenschappers van plan zijn om de IPK overbodig te maken.

4 / Aan de voet van deze toren bevinden zich de SI-basiseenheden. Slechts 7 SI-basiseenheden definiëren elke andere bestaande eenheid. Zij zijn:

Kilogram, kg (massa)

Meter, m (afstand)

Ten tweede, s (tijd)

Kelvin, K (temp)

Ampere, A (elektrische stroom)

Candela, cd (lichtsterkte)

Mol, mol (aantal) pic.twitter.com/Qe2jS13kEn

- Max Fagin (@MaxFagin) 1 november 2018

Dit is waar de Kibble Balance binnenkomt om ons te redden. Dit apparaat, dat in ontwikkeling is door meerdere laboratoria. Het National Institute of Standards and Technology in de VS en het National Physical Laboratory in Engeland werken beiden aan dit apparaat, dat hopelijk de kilogram opnieuw zal definiëren in termen van de constante van Planck, een getal dat centraal staat in ons begrip van de kwantummechanica. Samengevat, dit apparaat bepaalt niet de massa door het meten van het gewicht, maar door de elektromagnetische kracht tussen twee platen te meten. Oh, en het is allemaal gedaan in een vacuüm.

De Kibble-balans moet simpel gezegd de massa van een object meten - de IPK bijvoorbeeld - in termen van elektrisch vermogen. Om alle wiskunde bij te houden, bekijk de onderstaande video. Voor iedereen die niet in de kern van de natuurkunde zit, is het voldoende om te zeggen dat de Kibble Balance wetenschappers moet helpen de kilogram te herdefiniëren.

"Een van de belangrijkste redenen om dit werk te doen, is het bieden van internationale veiligheid," vertelde Ian Robinson, hoofd van de engineeringmeetafdeling van het National Physical Laboratory aan het Luxemburgse nieuwscentrum Delano. "Als het Pavillon de Breteuil" - waar de IPK is opgeslagen - "morgen is afgebrand en de kilogram in zijn kluizen is gesmolten, zouden we geen referentie meer hebben voor het metrische gewichtensysteem van de wereld. Er zou chaos zijn. De huidige definitie van de kilogram is immers het gewicht van die cilinder in Parijs. '

En dat is gewoon niet goed genoeg voor de internationale wetenschap.