Forskare kan nu mäta hur mycket kvantenergi som behövs för att förskjuta massa, gör sina beräkningar för ett kilo oerhört mer exakta
Inseglat i ett valv under en hertigs före detta nöjespalats bland de platanbevuxna skogarna väster om Paris sitter ett föremål av storleken på ett äpple som bestämmer världens vikt.
Smidd mot en bakgrund av vetenskapliga och politiska omvälvningar efter den franska revolutionen, en enda, liten cylinder av platina-iridiumlegering har legat i stort sett ostörd i nästan 130 år som världens riktmärke för vad, exakt, är ett kilo.
Den internationella prototypen av kilogram, eller "Le Grand K" som det är ömt känt, är en av vetenskapens mest heliga reliker, en analog som alla andra vikter jämförs mot och en totem av det metriska systemet som åtföljde frihetens epok, jämlikhet och broderskap.
Det är så vördad, faktiskt, att den bara har vägts fyra gånger sedan 1889 och att rummet i Pavillion de Breteuil endast får öppnas när de tre levande nyckelhållarna – som av säkerhetsskäl måste vara av olika nationalitet – vrider på låset samtidigt.
Och ändå är den snart utan jobb.
Hundratals forskare från hela världen kommer denna vecka att samlas i Versailles-palatsets överflöd för den 26:e allmänna konferensen om vikter och mått.
Där, i en handling som försenat uppfyller det metriska systemets grundlöfte om "För alla åldrar, för alla människor", de kommer att ersätta Grand K med en universell formel som definierar kilogram med hjälp av naturens kvantlagar.
"Kilogrammet är den sista måttenheten baserat på ett fysiskt föremål, sa Thomas Grenon, chef för Frankrikes nationella laboratorium för mätning och testning.
"Problemet är att det har haft ett liv, det kan fluktuera. Det är inte tillräckligt bra, med tanke på den precisionsnivå vi behöver idag."
Vad är på en sekund?
Med antagandet av det metriska systemet, forskare i slutet av 1700-talet behövde kodifiera en enda struktur som uttryckte avstånd, tid, elektriska processer och massa i liknande, överlåtbar, måttenheter.
Ett kilogram är lika med massan av "grand K", en cylinder av platina och iridium bevarad sedan 1889 vid International Bureau of Weights and Meausres nära Paris i Frankrike.
De definierade en meter som en tio miljondel av jordens kvadrant – löpande genom Paris, naturligtvis.
"Vi ser nu tillbaka och säger att processen de gick igenom var ganska bra, vi skulle inte göra det så annorlunda idag, sa Martin Milton, direktör för BIPM, den internationella väktaren av våra mätsystem.
Mätaren användes i sin tur för att definiera massan:hur mycket en kub-decimeter (10 cm x 10 cm x 10 cm) vatten vägt skulle hädanefter betecknas som ett kilogram.
Men vetenskapen har gått vidare sedan revolutionens dagar.
En mätare definieras nu av hur långt ljuset färdas i vakuum under en bråkdel av en sekund.
Den andra i sig brukade uttryckas i förhållande till jordens rotation. Men sedan 1960-talet, det har officiellt varit den tid det tar en cesium-133-atom att vinkla 9, 192, 631, 770 gånger – inte en revolution mindre.
Istället för att relatera till massan av ett enstaka fysiskt objekt, kilogram kommer i framtiden att definieras i termer av Planck-konstanten - förhållandet mellan kvantenergi som en ljusfrekvens kan bära till samma frekvens, eller 6,626 x 10-34 joule sekunder.
Energi är naturligt kopplat till massa, som Einstein visade med sin ekvation E =mc2.
Plancks konstant, kombinerat med två kvantfenomen som möjliggör skapandet av elektrisk kraft, kan användas för att beräkna massa baserat på den ekvivalenta mekaniska kraften som behövs för att förskjuta den.
"Om du driver en massa, kraften du behöver beror på den massan. Och du kan helt basera den kraften på elektrisk kraft som tillhandahålls av våra kvantkonstanter, " berättade Milton för AFP.
Förespråkare för detta tillvägagångssätt säger att det kommer att vara minst en miljon gånger mer stabilt än fysiska artefakter och kommer att ha en rad praktiska tillämpningar i framtiden.
Det fysiska föremålet av vad som är ett kilogram kommer snart att ersättas av kvantberäkningar men artefakten har ännu inte avslutat sin tjänst för vetenskapen
"För många applikationer, ett kilo är en mycket stor massa, sa Milton.
Framsteg inom farmaceutisk och kemisk produktion gör att ingredienser i läkemedel i allt högre grad mäts i mikrogram, och blir allt mer exakta.
"Ett kilo är bra för potatis där du inte behöver särskilt mycket noggrannhet, men det är inte rätt vikt för många tillämpningar inom krävande vetenskap och industri. Det nya systemet är oändligt skalbart."
"Stater går samman"
Forskare kommer också att använda toppmötet i Versailles för att ändra hur ampere (elektrisk ström), kelvin (temperatur) och mol (atomer) definieras, allt uttryckt genom de universella naturlagarna.
Milton sa att beslutet var ett sätt att säkerställa att världen alltid skulle komma överens om vad, exakt, ett kilogram är — vare sig det är en påse socker, en liter vatten eller ett exakt kvantförhållande.
"Vi är i en värld där människor är oroade över att drivkraften mot multilateralism stoppas och eventuellt vänds. Men här, inom mätvetenskap, stater går verkligen samman för att komma överens, " han sa.
När det gäller Le Grand K, den kan ha överlevt sin användbarhet som det perfekta kilogramet, men dess bidrag till vetenskapen är långt ifrån över.
"Den kommer att stanna här i valvet under de förhållanden som den har varit i sedan 1889, sa Milton.
"Det är faktiskt ett långsiktigt experiment eftersom vi kommer att väga det under de kommande decennierna för att se hur det reagerar på förhållandena. Det fortsätter att vara ett objekt av intresse för vetenskapen."
© 2018 AFP
