De kilogram is niets meer. In plaats daarvan is het een abstract idee over licht en energie.
Vanaf vandaag (20 mei) hebben natuurkundigen de oude kilogram - een 130 jaar oude, platina-iridiumcilinder met een gewicht van 2,2 kilo (1 kilogram) in een kamer in Frankrijk vervangen - door een abstracte, onveranderlijke meting op basis van biljard van lichtdeeltjes en de constante van Planck (een fundamenteel kenmerk van ons universum).
In zekere zin is dit een geweldige (en verrassend moeilijke) prestatie. De kilogram staat nu voor altijd vast. Het kan in de loop van de tijd niet veranderen omdat de cilinder hier een atoom of daar een atoom verliest. Dat betekent dat mensen deze eenheid van massa, in termen van rauwe wetenschap, kunnen communiceren met buitenaardse wezens. De kilogram is nu een simpele waarheid, een idee dat overal in het universum kan worden gedragen zonder de moeite te nemen om een cilinder mee te nemen.
En toch ... dus wat? Praktisch gezien weegt de nieuwe kilogram tot op enkele delen per miljard precies zoveel als de oude kilogram. Als u gisteren 93 kilogram (204 pond) woog, weegt u vandaag en morgen 93 kilogram. Slechts in enkele beperkte wetenschappelijke toepassingen zal de nieuwe definitie enig verschil maken.
Wat hier echt fascinerend is, is dat praktisch gezien de manier waarop de meesten van ons de kilogram gebruiken, zal veranderen. Het is zo verdomd moeilijk om helemaal een rigoureuze massa-eenheid te definiëren.
Andere fundamentele krachten zijn al lang begrepen in termen van fundamentele realiteit. Een tweede keer? Ooit werd het volgens het National Institute of Standards and Technology (NIST) gedefinieerd in termen van de schommelingen van een slingeruurwerk. Maar nu begrijpen wetenschappers een seconde als de tijd die een atoom van cesium 133 nodig heeft om 9.192.631.770 cycli van het vrijkomen van microgolfstraling te doorlopen. Een meter? Dat is de afstand die het licht aflegt in 1 / 299.792.458 seconde.
Maar massa is niet zo. We meten meestal kilogram in termen van gewicht - hoeveel duwt dit ding naar beneden op een schaal? Maar dat is een meting die afhangt van waar u de daadwerkelijke weging uitvoert. Die cilinder in Frankrijk zou veel minder wegen als je hem naar de maan zou brengen, en zelfs een klein beetje meer of een klein beetje minder als je hem naar andere delen van de aarde zou brengen.
Zoals NIST uitlegt, is de nieuwe kilogram gebaseerd op de fundamentele relatie tussen massa en energie - de relatie is gedeeltelijk beschreven in Einstein's E = mc ^ 2, wat betekent dat energie gelijk is aan massa maal de snelheid van licht in het kwadraat. Massa kan worden omgezet in energie en vice versa. En in vergelijking met massa is energie gemakkelijker te meten en te definiëren in discrete termen.
Dat is te danken aan een andere vergelijking, zelfs ouder dan E = mc ^ 2. De natuurkundige Max Planck toonde in 1900 aan dat E = hv volgens NIST. Hij liet zien dat energie, op een schaal die klein genoeg is, op en neer kan gaan, en alleen in stappen. E = hv betekent dat energie gelijk is aan "v" - de frequentie van een deeltje, zoals een foton - vermenigvuldigd met "h" - het getal 6.62607015 × 10 ^ min34 ook wel bekend als de constante van Planck.
"v" in E = hv moet altijd een geheel getal zijn, zoals 1, 2, 3 of 6.492. Geen breuken of decimalen toegestaan. Energie is dus van nature discreet en gaat op en neer in stappen van "h" (6.62607015 × 10 ^ min34).
Het nieuwe kilogram brengt E = mc ^ 2 en E = hv bij elkaar. Dat stelt wetenschappers in staat massa te definiëren in termen van de constante van Planck, een onveranderlijk kenmerk van het universum. Een internationale coalitie van wetenschapslaboratoria kwam samen om de meest nauwkeurige metingen van Planck's constante tot nu toe te maken, zeker tot slechts enkele delen per miljard. De massa van de nieuwe kilogram komt overeen met de energie van 1,4755214 maal 10 ^ 40 fotonen die oscilleren met dezelfde frequenties als de cesium 133-atomen die worden gebruikt in atoomklokken.
Het is niet het gemakkelijkste om op een schaal te blijven. Maar als idee is het veel draagbaarder dan een cilinder van platina-iridiumlegering.
