Vaarwel, platina kilo

De metrologie stelt alles in het werk om de platina cilinder die als standaard kilo dient naar het museum te verbannen.

‘Voor altijd, voor alle mensen.’ Deze woorden sprak de markies van Condorcet in 1799 uit bij invoering van de standaard meter en kilogram in Frankrijk. Als secretaris van de commissie die de grootheden had gedefinieerd, bracht hij de belangrijkste deugd van het nieuwe systeem onder woorden: het onveranderlijke en universele karakter. Niet langer zouden handelaren en wetenschappers rekening hoeven te houden met verschillende standaarden die landen, streken en zelfs naburige dorpen erop nahielden. Mits deze het systeem omarmden, natuurlijk.

Het vergde nog heel wat passen en meten om de droom van Condorcet in de praktijk te brengen: pas in 1960 werd het Internationale Stelsel van Eenheden (SI-stelsel) ingevoerd. Het moest zolang duren omdat het nu eenmaal veel tijd kost om internationale overeenstemming te bereiken, maar ook speelde mee dat de fysica steeds verfijndere meetmethodes en inzichten produceert. Metrologen hadden dus met een moving target te maken.

Dat is nog steeds zo, en dus wordt het SI-stelsel zo nu en dan aangepast. Soms gaat het om een bescheiden update, zoals een extra significant cijfer ver achter de komma, maar soms worden behoorlijk fundamentele veranderingen doorgevoerd. In 1983 werd bijvoorbeeld de meter op een nieuwe leest geschoeid.

Er staat nog een grote aanpassing op de agenda. In 2018 verwachten metrologen zich te ontdoen van de enige grootheid die nog op een fysieke standaard is gebaseerd: de kilogram. De beroemde, per definitie exact een kilo wegende platina-iridium cilinder die wordt bewaard in het Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) te Parijs kan dan naar het museum.

Bits&Chips vroeg wetenschappelijk programmamanager Marc Pieksma van de Nederlandse ‘SI-bewaker’ VSL om uitleg.

Waarom is het beter als de kilo niet op een fysieke standaard is gebaseerd?

Pieksma: ‘De voornaamste reden is dat de standaard kilo van het BIPM en zijn kopieën van elkaar beginnen af te wijken: de kilo lijkt relatief lichter te worden. Waarom weten we niet. Het gaat slechts om iets in de orde van vijftig microgram per honderd jaar, maar standaarden moeten natuurlijk zo onveranderlijk mogelijk zijn.’

‘Daarnaast vinden metrologen het eleganter als iedereen op aarde, waar en wanneer dan ook, zelf de standaard kilogram kan bepalen. Nu moet je daarvoor in wezen naar Parijs, in de toekomst zou je een experiment uitvoeren.’

Welk experiment is dat?

‘Dat is de Watt-balans, die elektromagnetische en mechanische krachten met elkaar in verband brengt. Het is een uitermate ingewikkeld apparaat, maar in essentie kun je met behulp van de spanning, stroomsterkte en enkele natuurconstanten een gewicht bepalen. Het idee is om voor een van de elementaire natuurcontanten – de constante van Planck – een onveranderlijke waarde af te spreken, zodat de kilo op basis van deze constante kan worden gedefinieerd. Dat is in het huidige SI-stelsel al het geval voor enkele grootheden, zoals de lichtsnelheid wordt gebruikt om de meter te definiëren. In het nieuwe stelsel zullen alle basisgrootheden aan een natuurconstante zijn gekoppeld. Wetenschappelijk is dat het fraaist.’

Er wordt dus ook gesleuteld aan de definitie van andere grootheden?

‘Jazeker, ten goede wat mij betreft. De ampère was bijna onmogelijk gedefinieerd, met termen als oneindig lange en dunne draden erin. Daarvoor in de plaats komt een exacte waarde voor elementaire lading. De definitie voor temperatuur rustte op het tripelpunt van water, maar dat is experimenteel ingewikkeld vanwege vervuilingen in en variërende isotoopsamenstelling van het water. Het is praktischer om met de constante van Boltzmann te werken.’

Is het zeker dat de stelselwijziging er komt?

‘Zo goed als, al is 2018 misschien een wat optimistische schatting. Voor de kilo wordt momenteel met drie onafhankelijke meetopstellingen verspreid over de wereld gewerkt om de meetresultaten te laten convergeren en er komen de komende jaren nog meerdere opstellingen bij. De vergadering van directeuren van nationale meetinstituten heeft eerder vastgelegd binnen welke marges zij moeten uitkomen. Als dat is gelukt, is de stelselwijziging nog slechts een formaliteit.’

En is het dan de laatste?

‘Dat denk ik wel ja. Als alle basisgrootheden aan een natuurconstante met vaste waarde zijn gekoppeld, is er weinig reden om nog wijzigingen door te voeren.’