De Planck-constante zal het stokje overnemen.

Vandaag, op World Metrology Day, is het officieel: de cilinder die al 130 jaar dienstdoet als de maat voor een kilogram is niet meer. De constante van Planck – de fundamentele constante van de kwantumfysica – is aangewezen om het stokje over te gaan nemen. Naast de definitie van een kilogram is ook de definitie van de ampère, de kelvin en de mol (eenheid voor hoeveelheid stof) herzien. En hiermee is er een einde gekomen aan het tijdperk waarbij er fysieke objecten worden gebruikt om meeteenheden te definiëren.

Het prototype van de kilogram. Afbeelding: International Bureau of Weights and Measures

Cilinder
Tot nu toe deed Le Grand K – een cilinder met een diameter en hoogte van ongeveer 39 millimeter die voor 90% uit platina en voor 10% uit iridium bestaat – dienst als het standaardgewicht voor een kilogram. Het prototype (hiernaast afgebeeld) is gemaakt in 1889 en is sindsdien bewaard in een beveiligingskluis in Parijs. Maar de cilinder bleek toch niet zo betrouwbaar te zijn.


Nauwkeurigheid
Onderzoekers ontdekten in de jaren vijftig dat kopieën van het prototype in vergelijking met Le Grand K iets zwaarder worden. Het minuscule verschil in gewicht van een kilogram zullen we zelf bij de groenteboer niet merken, maar heeft wel invloed op de wetenschap, waarbij uiterste precisie erg belangrijk is. “Het was nauwkeurig genoeg voor vele doeleinden, maar de eisen van de wetenschap voor nauwkeurigheid zijn aangescherpt,” zegt Bruce Warrington aangesloten bij het National Measurement Institute (NMI). “Vooral wanneer er met heel kleine massa’s zoals medicijnmoleculen wordt gewerkt in farmaceutisch onderzoek. Bovendien is een fysiek object kwetsbaar voor omgevingsfactoren, zoals bijvoorbeeld de temperatuur.”

Stemming
Daarom kwamen afgelopen november vertegenwoordigers uit zestig landen bijeen om te stemmen over een nieuwe definitie van de kilogram. Er werd besloten een nieuw systeem te gaan gebruiken dat in ieder geval qua massa onveranderlijk is. En daarbij kwamen ze uit bij de constante van Planck. Voortaan zal een kilogram dus niet meer gedefinieerd worden op basis van een fysieke cilinder, maar in termen van een natuurconstante. Belangrijk om op te merken is dat dus alleen de definitie verandert, de omvang verandert niet. Een kilogram blijft gewoon een kilogram. Hiermee is niet alleen de toekomstige stabiliteit verzekerd, maar kunnen er ook nieuwe technologieën gebruikt worden, zoals bijvoorbeeld de kwantumtechnologie.

Herdefiniëring van de SI-eenheden
De kilogram zal voortaan worden gedefinieerd door de constante Planck (h)
De ampère zal voortaan worden gedefinieerd door de elementaire elektrische lading (e)
De Kelvin zal voortaan worden gedefinieerd door de Boltzmann-constante (k)
De mol zal voortaan worden gedefinieerd door de constante van Avogadro (NA)

De kilogram is echter niet de enige die gemoderniseerd wordt. Ook de ampère, de kelvin en de mol moeten eraan gaan geloven (zie kader hierboven). “Metingen onderbouwen wetenschap, handel en industrie,” benadrukt Warrington. “Voor wereldwijde handel en internationale samenwerking is het belangrijk om dezelfde taal van metingen te spreken, uitgedrukt in gemeenschappelijke eenheden.”