Kilogrammet bliver omdefineret – forklarer en fysiker

Hvor meget er et kilogram? 1, 000 gram. 2,20462 pund. Eller 0,0685 snegle baseret på det gamle kejserlige gravitationssystem. Men hvor kommer denne mængde egentlig fra, og hvordan kan alle være sikre på, at de bruger den samme måling?

Siden 1889, lande, der er medlemmer af generalkonferencen om vægte og mål, er blevet enige om at bruge en standard metalblok – holdt nær Paris – til at definere kilogrammet. Men selvom den moderne blok er opbevaret i et stærkt kontrolleret miljø, dens vægt kan ændre sig med små mængder, da slid og ælde får den til at tabe masse og snavs får den til at stige. For at løse dette problem, forskere verden over har brugt næsten to årtier på at diskutere, hvordan kilogrammet i stedet kunne defineres i forhold til konstante målinger af naturen. Og nu har de endelig nået en beslutning.

Det første kilogram (oprindeligt kaldet en grav) blev defineret i 1793 af en kommission fra det franske videnskabsakademi, som ønskede en bedre standard end de faste mængder korn, der traditionelt havde været brugt. Kommissionen besluttede, at den nye foranstaltning ville være massen af ​​en kubikdecimeter destilleret vand ved 4 ℃ (den temperatur, ved hvilken vand har sin højeste tæthed under standardbetingelser). Dette havde den fordel, at de fleste korrekt udstyrede laboratorier ville være i stand til at reproducere denne standard. Efterfølgende en prototype af denne masse blev støbt i messing.

Desværre, denne definition af masse afhang af en anden variabel måling, meteren. På dette tidspunkt, måleren blev kun foreløbigt defineret som en del af afstanden fra Nordpolen til ækvator. Når værdien af ​​måleren og temperaturen af ​​vand på dets tætteste var mere præcist defineret, kilogrammet skulle også udskiftes. Og en ny prototype blev støbt i platin for at repræsentere denne masse.

Til sidst, dette blev erstattet med den internationale prototype kilogram (IKP), der bruges i dag, støbt af en blanding af platin og iridium for at gøre det meget hårdt og forhindre det i at reagere med ilt. IPK og seks kopier opbevares af International Bureau of Weights and Measures i Pavillon de Breteuil, Saint-Cloud, nær Paris i Frankrig for at fungere som en reference til at måle imod. Kopier af IPK transporteres over hele verden for at sikre, at alle deltagende lande bruger den samme standard.

Men selv den moderne IPK kan gradvist ændre sig i masse. Radikalt, svaret fra International Bureau of Weights and Measures er at revidere definitionerne af et kilogram, samt alle de andre grundlæggende måleenheder, der bruges i videnskaben (kendt som SI-enheder, fra det franske for internationalt system).

I stedet for at måle kilogrammet mod en blok gemt i en hvælving, vi kan definere det ud fra præcise værdier af naturkonstanter. At blive enige om en definition har taget lang tid, fordi vi skulle være i stand til at måle disse konstanter til krævende standarder med en usikkerhed på 30 dele pr. milliard (hvilket betyder, at målingerne er nøjagtige til 0,00000003 af en enhed).

Forskere har faktisk allerede gjort dette i tid og længde. Et sekund er ikke længere en brøkdel af den tid det tager Jorden at dreje rundt, som kan ændre sig, efterhånden som kloden accelererer eller sænker farten. I stedet, et sekund er nu defineret af den tid, det tager for en vis mængde energi at blive frigivet som stråling fra atomer af Cæsium-133. Specifikt, et sekund er lig med 9, 192, 631, 770 overgange i de hyperfine grundtilstandsniveauer af Cæsium-133. Dette er det samme, uanset hvornår eller hvor det måles.

Forskere var derefter i stand til at omdefinere måleren i forhold til den anden og en anden naturlig konstant, lysets hastighed i et vakuum (c), som videnskabsmænd har beregnet til 299, 792, 458 meter i sekundet. Så en meter er nu den længde, lyset tilbagelægger på 1/c sekunder.

Den nye definition af kilogrammet bruger en måling fra en anden fast værdi fra naturen, Plancks konstant (h), som vil blive defineret som 6.62607015×10 ⁻³⁴ joule sekunder. Plancks konstant kan findes ved at dividere den elektromagnetiske frekvens af en partikel af lys eller "foton" med mængden af ​​energi, den bærer.

Konstanten måles normalt i joule sekunder, men det kan også udtrykkes som kilogram kvadratmeter pr. sekund. Vi ved, hvad et sekund og en meter er fra de andre definitioner. Så ved at tilføje disse målinger, sammen med en nøjagtig viden om Plancks konstant, vi kan få en ny, meget præcis definition af kilogram.

Andre enheder

En del af grunden til, at det har taget så lang tid at skabe den nye definition, er fordi forskere har været nødt til at skabe meget præcise enheder til at måle Plancks konstant med en tilstrækkelig høj grad af nøjagtighed. Metoden har også været kontroversiel, fordi den vil bryde koblingen, som kilogrammet har til andre basis SI-enheder, især muldvarpen, som måler mængden af ​​et stof i forhold til antallet af partikler, det er lavet af. Nogle videnskabsmænd har foreslået alternative metoder som et resultat.

Men efter en symbolsk afstemning, den nye definition af kilogram vil blive brugt af International Bureau of Weights and Measures og nationale måleinstitutter rundt om i verden, sammen med nye definitioner af de resterende basis SI-enheder, muldvarpen, kelvin (temperatur), amperen (strømmen) og candelaen (lysstyrken).

For de fleste mennesker, hverdagen vil fortsætte som normalt på trods af redefinitionerne. En standardpose sukker vil indeholde lige så meget sukker, som den nogensinde har gjort. Men nogle af disse ændringer, for eksempel til kelvin, vil betyde praktiske fordele for forskere, der foretager meget præcise målinger. Og for at besvare spørgsmålet "hvor meget er et kilogram", vi behøver ikke længere at sammenligne platinblokke eller bekymre os om at ridse dem.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.