Kilo in de kliko: basiseenheden krijgen nieuwe definitie

Het prototype van de kilogram mag na 130 jaar met pensioen. Vanaf volgend jaar hangt de definitie van de massa-eenheid niet langer af van het beroemde blok metaal in Parijs. Samen met de kilogram gaan ook drie andere basiseenheden op de schop.

Het voorstel voor de wijzigingen werd vrijdagmiddag met een overweldigende meerderheid aangenomen op de jaarlijkse conferentie van het Bureau international des poids et mesures. De nieuwe eenheden worden op 20 mei 2019 in de praktijk gebracht. Daarmee zal de Wereld Metrologie Dag vermoedelijk nog feestelijker zijn dan normaal.

Op de conferentie werd gesproken van ‘de grootste verandering van eenheden sinds de Franse Revolutie’. Tot die tijd was er geen vaste eenheid voor massa. Dat vonden de revolutionairen maar onhandig. In 1795 definieerden ze de kilogram als de massa van een kubieke decimeter water. Omdat een handvol water niet zo praktisch is als ijkmateriaal, werd een paar jaar later een blok platina van precies één kilogram gemaakt.

Het prototype van de kilogram wordt zorgvuldig beschermd om vervuiling te voorkomen.

Dit blok werd in 1889 vervangen door een wat robuustere legering van 90 procent platina en 10 procent iridium. Tot de dag van vandaag functioneert dat blok in een kantoor in Parijs als het prototype van de kilogram.

Constante van Planck

Maar hoe robuust ‘Le Grand K’ ook is, in de loop der jaren kan zijn massa toch een beetje veranderen. Dat blijkt uit vergelijkingen met replica’s die metrologen in andere landen gebruiken. De massa van sommige van die kopieën liep na honderd jaar zo’n 50 microgram (0,00005 gram) uit de pas. Niet veel – ongeveer de massa van een wimper – maar toch niet de bedoeling.

Daarom hangt de kilogram straks niet langer af van een tastbaar object. De massa-eenheid is dan gedefinieerd aan de hand van de constante van Planck. Dat is een natuurkundige constante die vooral opduikt in de vergelijkingen van de quantummechanica. Omdat de waarde ervan altijd precies hetzelfde is, is de kilogram voortaan ook standvastig.

Een Kibble-balans kan de constante van Planck met een nauwkeurigheid van ongeveer acht cijfers achter de komma meten. Beeld: NIST

Om de nieuwe eenheid vast te leggen, moet eerst de constante van Planck met extreem grote precisie worden bepaald. Voorheen waren meetapparaten niet nauwkeurig genoeg om dat te doen.

Nu gebruiken natuurkundigen een Kibble-balans: een hypernauwkeurige weegschaal waarin een object met elektromagnetische krachten in balans wordt gehouden. Op die Kibble-balans wordt nog één keer een prototype van de kilogram gelegd, daarna staat de constante van Planck vast en kan de kilo in de kliko.

Huissleutel

De nieuwe definitie heeft geen gevolgen voor de prijs van een tros bananen of je puntenaantal bij Weight Watchers. Zelfs op wetenschappelijke experimenten heeft de wijziging voorlopig geen invloed. Maar in de toekomst zijn experimenten misschien wel dermate nauwkeurig, dat een minieme foutmarge in de waarde van de kilogram de resultaten kan beïnvloeden.

De maatregel is dus een beetje als een kopie laten maken van je huissleutel. Nu heb je daar niks aan, maar als je het niet doet, bestaat er een kans dat je er later spijt van krijgt. Daarnaast is de nieuwe definitie prettig voor de gemoedsrust van theoretici. Want zeg nu zelf: een van je belangrijkste eenheden definiëren aan de hand van een blok metaal, dat is toch volslagen mesjogge?

Meter en seconde

De kilogram is een van de zeven basiseenheden van het Système international. In zijn kielzog worden ook de kelvin, mol en ampère straks gedefinieerd aan de hand van natuurkundige constanten. Deze eenheden zijn nu eveneens nog gebaseerd op bestaande verschijnselen.

De kelvin (eenheid van temperatuur) hangt af van het smeltpunt van water. De mol (chemische hoeveelheid) hangt af van het aantal atomen in een bepaalde hoeveelheid koolstof. En de ampère (stroomsterkte) hangt af van het resultaat van een in werkelijkheid onuitvoerbaar experiment met twee oneindig lange geleiders.

De meter was ooit ook gedefinieerd aan de hand van een prototype. Beeld: NIST

De overige drie eenheden zijn eerder al gekoppeld aan natuurconstanten. De meter was eerst gedefinieerd als een tienmiljoenste van de afstand tussen noordpool en evenaar. Ook hiervan werd eind 19e eeuw om praktische redenen een platinum-iridium prototype gemaakt.

Sinds 1983 is de meter de afstand die licht in vacuüm aflegt in afgerond een driehonderdmiljoenste van een seconde. De lichtsnelheid in vacuüm is constant, zodat die afstand altijd exact hetzelfde is.

Om te weten wat een meter is, moet je dus wel eerst weten wat een seconde is. Oorspronkelijk was dat gewoon een 60e van een 60e van een 24e van een dag. Maar omdat dagen door kleine oprispingen van de aarde niet altijd precies even lang duren, is een seconde sinds 1967 gelijk aan afgerond negen miljoen trillingen van een cesiumatoom.

Kaars

De zevende basiseenheid is mijn persoonlijke favoriet: de candela, eenheid van lichtsterkte. Aan de naam is nog te zien dat de eenheid ooit gedefinieerd was als de lichtsterkte van een bepaald type kaars. Sinds 1979 hangt de candela af van een constante waarde die hoort bij een specifieke vorm van groen licht.

Nu de nieuwe definities groen licht hebben gekregen, verandert ook de onderlinge afhankelijkheid tussen de eenheden. Momenteel zijn de kilogram, seconde en kelvin volstrekt onafhankelijk. De waarde van de andere vier basiseenheden hangt af van die van de kilogram en seconde. Je kunt de kilogram en seconde dus zien als de twee oppereenheden, en de kelvin als het buitenbeentje.

Huidige onderlinge afhankelijkheid van de zeven basiseenheden. De kilogram en de kelvin hangen straks ook af van de seconde, de mol wordt juist onafhankelijk.

Met de nieuwe definities zijn de seconde en de mol als enige onafhankelijk. De andere eenheden zijn allemaal via hun natuurconstanten gekoppeld aan de seconde. De seconde is dus straks de oppereenheid en de mol het buitenbeentje.

De kilo gaat trouwens niet echt in de kliko. Het prototype van de kilogram blijft voorlopig bewaard op dezelfde plek in het kantoor in Parijs.

Dit bericht verscheen op 16 november 2018 op de website van New Scientist.

Volgens Wordpress verwante berichten:

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *