Banar vägen för att transformera världens mätsystem, en internationell arbetsgrupp har fastställt uppdaterade värden för fyra grundläggande naturkonstanter. De uppdaterade värdena utgör den sista vetenskapliga pusselbiten för att omdefiniera det moderna metriska systemet, känd som International System of Units (SI). Om det godkänns av ett internationellt organ nästa år, den reviderade SI kommer att möjliggöra auktoritativa mätningar var som helst på planeten.

Justeringarna av konstanterna är små och påverkar inte vardagen. Men en reviderad SI helt och hållet baserad på exakta värden på dessa konstanter stödjer vetenskap och handel och säkerställer enhetligt exakta mätningar som skalas smidigt från nästan oändligt till enormt.

Baserat på toppmoderna mätningar från forskare runt om i världen, de uppdaterade värdena för konstanterna utarbetades av kommittén för data för vetenskap och teknik (CODATA) Task Group on Fundamental Constants (TGFC). En artikel som innehåller de nya värderingarna har godkänts för publicering i tidskriften Metrologia .

Den 20 oktober, Internationella kommittén för vikter och mått (CIPM) överlämnade en resolution som rekommenderar en omdefiniering av SI till General Conference on Weights and Measures (CGPM), det officiella organ som gör ändringar i SI. I november 2018, CGPM kommer formellt att rösta om antagandet av det reviderade systemet. CGPM inkluderar medlemmar från dussintals nationer, inklusive USA och andra undertecknare av mätarkonventionen, fördraget från 1875 som standardiserade mätenheter på internationell nivå.

I mätningarnas värld, en SI baserad på fundamentala konstanter kommer att åstadkomma en förändring. Ända tills nu, CODATA TGFC uppdaterade värden för konstanterna vart fjärde år, senast 2014, och producerade denna speciella uppdatering för de fyra konstanterna i år i väntan på den uppdaterade SI.

"Värdena för dessa fyra konstanter kommer inte att förändras längre, sade Peter Mohr, en vetenskapsman vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och en medlem av CODATA TGFC. Värdena kommer att vara fasta och anges som exakta värden, han sa, precis som ljusets hastighet för närvarande definieras som ett exakt värde. Detta i sin tur kommer att tillåta forskare att fokusera på mätningar som jämför andra viktiga storheter med konstanterna.

Tillsammans med tidigare accepterade konstanter, de uppdaterade värdena skulle omdefiniera SI:s sju basenheter, som inkluderar kilogram (massaenheten), kelvin (temperaturenheten), och ampere (enheten för elektrisk ström).

Sedan 1889, kilogram har definierats av en platina-iridiumcylinder lagrad i Frankrike, känd som den internationella prototypen av kilogram, eller, "Le Grand K ." Forskare från hela världen har varit tvungna att resa till Frankrike och jämföra sina länders kopior av kilogram med originalet för att fastställa exakta massmätningar i deras nationer.

Under tiden, temperatur har definierats i termer av "trippelpunkten" i en förseglad glascell av vatten. Trippelpunkten är den temperatur vid vilken vatten, is och vattenånga finns i jämvikt. Dock, vattnet i dessa celler kan innehålla kemiska föroreningar som kan ändra trippelpunktstemperaturen till felaktiga värden. Och mätningar av temperaturer högre eller lägre än trippelpunkten för vatten är i sig mindre exakta.

De uppdaterade konstanterna inkluderar Boltzmann-konstanten (som relaterar temperatur till energi), och Planck-konstanten (som kan relatera massa till elektromagnetisk energi), laddningen av elektronen och Avogadro-konstanten (den kvantitet som definierar en mol av ett ämne).

"Det finns inga dramatiska förändringar. Boltzmann-konstanten är mycket konsekvent med tidigare värden, " sa Mohr. "Temperaturexperterna begärde åtta siffror för konstanten och den sista siffran råkade vara 0, " berättade han - en underhållande situation för metrologer eftersom de kan få precisionen på åtta signifikanta siffror genom att bara behöva använda sju.

"Det finns en mängd olika sätt att bestämma temperatur men den nya definitionen kommer att vara mycket användbar för att mäta mycket varma och mycket kalla temperaturer långt borta från vattnets trippelpunkt, " sa NISTs David Newell, ordförande för arbetsgruppen CODATA.

Planck-konstanten har skiftat nedåt med 15 delar per miljard från dess tidigare värde, på grund av nya data som samlats in sedan 2014. Planck-konstanten bestämdes med två experimentella tekniker, känd som Kibble-balansen och Avogadro-metoden. Alla mätningar som användes för att fastställa det nya Planck-värdet uppfyllde tidigare överenskomna internationella riktlinjer för nivåer av noggrannhet och överensstämmelse med varandra.

Planck-konstanten kan användas för att definiera kilogram, och att använda en fundamental konstant för att definiera massa kommer att lösa många problem, sa Newell. Massan måste mätas över en mycket stor skala, från en atom till ett läkemedel till en skyskrapa. "I den lägre delen, du använder för närvarande en typ av fysik för att bestämma massa; i den höga delen, du använder en annan typ av fysik, " han sa.

Men Planck-konstanten kommer att ge ett konsekvent sätt att definiera massa över alla dessa skalor, med vilken laboratoriemetod som helst som används för att mäta massa.

"Det spelar ingen roll vilken metod du använder. En konstant är en konstant, sa Mohr.

Drömmen är att använda Planck-konstanten för massa på samma sätt som ljus används för att mäta avstånd. I SI, ljusets hastighet används redan för att definiera mätaren, längdenheten. "Du använder ljus för att mäta avståndet till månen eller avståndet mellan kiselatomer, ", sa han. Övergången till en reviderad SI är avsedd att vara sömlös för nästan alla i världen.

"Det hela är inriktat på att inte ha någon inverkan på den genomsnittliga personen, " sa Mohr.

Men en SI baserad på de nya konstanterna förväntas förändra metrologins värld.

Le Grand K i Frankrike kommer inte längre exakt definiera ett kilo. Istället, den kommer sannolikt att ha en massa som är något mindre eller något större än ett kilogram, till inom 10 delar per miljard i osäkerhet.

Volten kommer också att ändras, eftersom Planck-konstanten också hjälper till att definiera den i den reviderade SI. En volt baserad enbart på grundkonstanterna kommer att vara mycket lite mindre, cirka 100 delar per miljard, än den nuvarande vetenskapliga realiseringen av volten, grundades 1990. Så, metrologilabben på toppnivå måste omkalibrera sina högprecisionsspänningsmätningar.

"Människor som gör sådana högprecisionsmätningar kommer att märka förändringen, " sa Mohr.

Det är därför den officiella lanseringen av den reviderade SI är planerad till den 20 maj, 2019, på Världsmätningsdagen, att ge high-end metrologer tid att anpassa sig till de nya värderingarna.

"Det är ett bredare filosofiskt paradigmskifte, " sa Mohr.

"När ljusets hastighet blev ett fast tal, forskare slutade mäta ljusets hastighet. De fokuserade på att förverkliga mätaren. Det är samma sak med Planck-konstanten. Du kommer inte att mäta Planck-konstanten längre. Du kommer att förverkliga mass- och elektriska standarder mer exakt."