Meest recent

    De kilo, "Le Grand K", die bewaard wordt onder drie glazen stolpen, in een speciale kluis in Saint-Cloud, nabij Parijs. 2003 AFP

    De fysieke kilo wordt lichter, maar heeft binnenkort toch afgedaan

    De kilogram is de laatste eenheid van het metrieke stelsel van standaardeenheden die nog afhangt van een nauwkeurig ontworpen fysiek object. Maar met dat prototype zijn er problemen en wetenschappers willen dan ook zo snel mogelijk naar een meting die niet langer afhangt van een fysiek object maar van een natuurkundige constante. Op 20 mei 2019 is het, als alles goed gaat zo ver, en dan mag "Le Grand K", het prototype van de kilo, verhuizen naar het museum.  

    Een kilo werd oorspronkelijk, in 1795, in Frankrijk gedefinieerd als het gewicht van een kubieke decimeter water met de temperatuur van smeltend ijs. Toen natuurkundigen enkele jaren later, in 1799, de massa precies gingen bepalen, besloten ze echter water te nemen met de temperatuur waarop water zijn hoogste dichtheid heeft, zo'n 4 graden Celsius. Datzelfde jaar werd er ook een prototype van platina gemaakt dat zo dicht mogelijk die massa moest benaderen, de kilogram des Archives, en die was de volgende 90 jaar de standaard voor een kilogram. 

    In 1889 werd de standaard een nieuw prototype, de "international prototype kilogram". In de metrologie - de leer van de maten en gewichten om het eenvoudig te zeggen - wordt daar vaak naar verwezen als de "IPK", en de IPK wordt ook "Le Grand K" genoemd. 

    De IPK werd in 1879 gemaakt van een legering van 90 procent platina en 10 procent iridium, en het is een cilinder met een doormeter en een hoogte van zo'n 39 millimeter. De toevoeging van het iridium maakt dat de IPK veel harder is dan de kilogram de Archives, en dus minder makkelijk beschadigd kan worden. 

    De IPK wordt samen met zes "zusterkopieën" bewaard in een speciale kluis in de kelder van het Pavillon de Breteuil in Saint-Cloud, door het eerbiedwaardige Bureau Internationale des Poids et Mesures (BIPM), dat vroeger ook de standaardmeter bewaarde, en nu een belangrijke rol speelt in het handhaven van een nauwkeurige tijdsmeting wereldwijd. Het maakt een gemiddelde van de officiële atoomtijden van de lidstaten en komt zo tot de officiële Coordinated Universal Time (UTC).

    Het bureau wordt als zo belangrijk beschouwd dat het een aparte status heeft: het is geen internationaal grondgebied zoals soms beweerd wordt, maar het geniet wel van een zekere mate van immuniteit, en werd in de Tweede Wereldoorlog dan ook niet bezet door de Duitsers. Overigens wordt ook vaak gezegd dat het BIPM in Sevres gevestigd is. De ingang ligt inderdaad in die buurgemeente van Saint-Cloud, en ook de postcode van het BIPM is die van Sevres, maar de gebouwen liggen wel degelijk op het grondgebied van Saint-Cloud.

    De binnenplaats van het Pavillon de Breteuil.

    50 microgram

    Van de standaardkilogram zijn officiële kopieën gemaakt, tien die in Saint-Cloud zelf bewaard worden om er mee te werken, en tientallen andere die naar andere landen werden gestuurd om er te dienen als nationale standaard. Ons land heeft er zo twee, de nummers 28 en 37.  

    Om na te gaan of de massa van de IPK in de loop van de tijd verandert, worden er af en toe "periodic verifications" ondernomen, waarin de massa van het prototype in Saint-Cloud vergeleken wordt met de massa van een aantal kopieën. En daar is een probleem opgedoken. 

    Er blijken namelijk verschillen te zijn tussen het gewicht van de standaardkilo en zijn kopieën, en intussen is het verschil tussen het gewicht van de IKP en het gemiddelde van de kopieën opgelopen tot 50 microgram, 50 miljoensten van een gram. Mogelijk heeft de IKP 50 microgram of zelfs meer verloren in vergelijking met de kopieën, mogelijk hebben de kopieën massa bijgewonnen. Hoe dan ook staan de wetenschappers voor een raadsel, want ze kennen geen plausibel mechanisme dat de afname van de massa van de IKP, of de toename van de massa van de kopieën zou kunnen verklaren. 

    50 microgram op een kilogram, dat is absoluut niet veel, het is zowat het gewicht van de huidolie die een vingerafdruk achterlaat. En zelfs de nauwkeurigste kalibratie die de meetinstituten uitvoeren, is maar tot op 160 microgram nauwkeurig. Maar er zijn neveneffecten waarmee men rekening moet houden: ook de waarde van de eenheden van stroomsterkte, spanning, kracht en druk hangen indirect af van de kilogram. En als de waarde daarvan onzeker wordt, dan delen ook de ampère, volt, newton en pascal in de klappen.  

    Daarom willen metrologen de kilogram dringend ook wiskundig gaan definiëren in verhouding met een natuurkundige constante. Met de andere standaardeenheden van het SI-stelsel (Internationale Stelsel van Eenheden, Système international d’unités) is dat al gebeurd, zo is een meter intussen de afstand die licht aflegt in 1/299.792.458 seconde, en een seconde wordt dan weer gedefinieerd als 9,192,631,770 perioden van een bepaald soort cesiumatoom.

    Een met een computer gegenereerd beeld van "Le Grand K", gebaseerd op de specificaties van de originele cilinder (Illustratie: Greg L./Wikimedia Commons).

    Constante van Planck

    Om van de fysieke kilogram af te raken, willen de metrologen zich baseren op de constante van Planck. Dat is een onveranderlijke natuurkundige waarde uit de kwantumfysica, die de verhouding uitdrukt tussen de frequentie van een deeltje en zijn energie. 

    Rood licht heeft een lagere frequentie, en minder energie, dan blauw licht, en om te berekenen wat het verschil in energie is, wordt de constante van Planck gebruikt. En energie is ook uit te drukken als massa, dankzij Einsteins beroemde formule E = m.c².

    De constante van Planck is een bijzonder klein getal, 6.62607004 . 10 tot de min 34e, wat neerkomt op zes tiende van een miljoenste van een miljardste van een miljardste van een miljardste. Het probleem is dat men de constante nog niet tot op erg veel cijfers na de komma heeft kunnen meten, in elk geval nog niet nauwkeurig genoeg voor de eisen die het BIPM stelt om te komen tot een nieuwe definitie van de kilogram. Daar wordt momenteel aan gewerkt, en er is ook al vooruitgang in geboekt. 

    Het BIPM heeft immers voorwaarden gesteld: het wil drie onafhankelijk van elkaar uitgevoerde metingen van de constante van Planck, die de waarde van de kilogram moeten kunnen vastleggen met een foutenmarge die kleiner is dan 50 microgram, en één meting daarvan moet zelfs een foutenmarge hebben die kleiner is dan 20 microgram. 

    Kibble-weegschaal

    Een Kibble-weegschaal die gebouwd is door het US National Institute of Standards and Technology..

    Uit de natuurkunde weten we dat er een verband is tussen elektrische lading en massa, en het toestel dat gebruikt wordt om dit te meten, is een wattweegschaal of een Kibble-weegschaal. 

    De Kibble-weegschaal werkt op een soortgelijke manier als een klassieke weegschaal - ze vergelijkt twee verschillende krachten -, maar ze vervangt zwaartekracht door elektromagnetisme. In feite wordt de kilogram dus gedefinieerd door de hoeveelheid stroom en spanning die nodig is om een kilogram aan massa op te tillen met een magnetisch veld.

    Maar daarvoor is een nauwkeurige waarde voor de constante van Planck nodig, en daar wordt dus nog volop aan gewerkt. 

    Een probleem is wel dat als de nieuwe definitie van de kilogram zal afhangen van een Kibble-weegschaal, dat dan voorlopig slechts weinig landen over een dergelijk instrument zullen kunnen beschikken. Een Kibble-weegschaal is immers een extreem precies en duur instrument, waarvan een aantal onderdelen geregeld zeer nauwkeurig gekalibreerd moeten worden. Niet veel landen beschikken momenteel over de knowhow en de fondsen om een Kibble-weegschaal te kunnen bouwen en te laten werken. Momenteel staan er enkel in de VS, het Verenigd Koninkrijk, Zwitserland, Frankrijk en Canada. 

    De constante van Avogadro

    Een bol van een kilogram bestaande uit superzuiver silicium.

    Om een slag om de arm te houden, werken metrologen ook nog aan een andere, complementaire manier om de standaard kilgrammen van platina en iridium te vervangen door een high-tech variant, die gebaseerd is op de constante van Avogadro. 

    Die constante is het aantal atomen in een bepaalde eenheid van een stof, die een mol genoemd wordt. In tegenstelling met de constante van Planck, die een erg klein getal is, is de constante van Avogadro een erg groot getal: 6,02 x 10²³ namelijk, of 602.000.000.000.000.000.000.000.

    Aan de hand van dat getal, en omdat het gewicht van silicium-atomen erg precies bekend is, en silicium een erg regelmatige kristalstructuur heeft, hopen de wetenschappers een kilogram te kunnen definiëren als een superzuivere bol van mono-kristallijn silicium van een bepaalde afmeting. 

    Ondanks het feit dat silicium een basisingrediënt is van computerchips en er dus op industriële schaal zuiver silicium geproduceerd wordt, lukt het voorlopig nog niet om de siliciumbollen voldoende zuiver en regelmatig te laten groeien. 

    Gelukkige metrologendag

    Als alles goed gaat, en het Comité international des poids et mesures zijn fiat geeft,  zal "Le Grand K" op 20 mei 2019 - metrologendag - vervangen worden door de nieuwe definitie van de kilogram, gebaseerd op de constante van Planck.

    Voor u en mij zal er die dag niets veranderen, we zullen er niet meer of minder van gaan wegen. Maar eens de kilogram gekoppeld is aan een constante , zal de eenheid eens en voor altijd overal in het universum gelijk blijven.