Hur mycket är ett kilo? 1, 000 gram. 2,20462 pund. Eller 0,0685 sniglar baserade på det gamla kejserliga gravitationssystemet. Men var kommer denna mängd egentligen ifrån och hur kan alla vara säkra på att de använder samma mått?

Sedan 1889, länder som är medlemmar i generalkonferensen om vikter och mått har kommit överens om att använda ett standardblock av metall – som förvaras nära Paris – för att definiera kilogram. Men även om det moderna blocket lagras i en mycket kontrollerad miljö, dess vikt kan förändras i små mängder eftersom slitage gör att den tappar massa och smuts får den att öka. För att lösa detta problem, forskare runt om i världen har ägnat nästan två decennier åt att diskutera hur kilogram istället skulle kunna definieras i relation till ständiga mätningar av naturen. Och nu har de äntligen tagit ett beslut.

Det första kilomet (ursprungligen kallat en grav) definierades 1793 av en kommission från den franska vetenskapsakademin, som ville ha en bättre standard än de fasta mängder spannmål som traditionellt använts. Kommissionen beslutade att det nya måttet skulle vara massan av en kubikdecimeter destillerat vatten vid 4 ℃ (den temperatur vid vilken vattnet har sin högsta densitet under standardförhållanden). Detta hade fördelen att de flesta rätt utrustade labb skulle kunna reproducera denna standard. Senare, en prototyp av denna massa gjuts i mässing.

Tyvärr, denna definition av massa berodde på en annan variabel mätning, mätaren. Vid denna tidpunkt, mätaren definierades endast provisoriskt som en del av avståndet från nordpolen till ekvatorn. När mätarens värde och temperaturen på vattnet som tätast definierades mer exakt, kilogrammet måste också bytas ut. Och en ny prototyp gjuts i platina för att representera denna massa.

Så småningom, detta ersattes med den internationella prototypen kilogram (IKP) som används idag, gjutna av en blandning av platina och iridium för att göra den mycket hård och förhindra att den reagerar med syre. IPK och sex kopior förvaras av International Bureau of Weights and Measures i Pavillon de Breteuil, Saint-Cloud, nära Paris i Frankrike för att fungera som en referens att mäta mot. Kopior av IPK transporteras över hela världen för att säkerställa att alla deltagande länder använder samma standard.

Men även den moderna IPK kan gradvis förändras i massa. Radikalt, svaret från International Bureau of Weights and Measures är att se över definitionerna av ett kilogram, såväl som alla andra grundläggande måttenheter som används inom vetenskapen (kända som SI-enheter, från det franska för internationellt system).

Istället för att mäta kilogram mot ett block lagrat i ett valv, vi kan definiera det utifrån exakta värden av naturkonstanter. Att komma överens om en definition har tagit lång tid eftersom vi behövde kunna mäta dessa konstanter till krävande standarder med en osäkerhet på 30 delar per miljard (vilket betyder att mätningarna är exakta till 0,00000003 av en enhet).

Forskare har faktiskt redan gjort detta för tid och längd. En sekund är inte längre en bråkdel av den tid det tar för jorden att rotera, som kan förändras när jordklotet ökar eller saktar ner. Istället, en sekund definieras nu av den tid det tar för en viss mängd energi att frigöras som strålning från atomer av cesium-133. Specifikt, en sekund är lika med 9, 192, 631, 770 övergångar i de hyperfina grundtillståndsnivåerna av cesium-133. Detta är detsamma oavsett när eller var det mäts.

Forskare kunde sedan omdefiniera mätaren i förhållande till den andra och en annan naturlig konstant, ljusets hastighet i vakuum (c), som forskare har beräknat som 299, 792, 458 meter per sekund. Så en meter är nu ljusets längd på 1/c sekunder.

Den nya definitionen av kilogram använder ett mått från ett annat fast värde från naturen, Plancks konstant (h), som kommer att definieras som 6,62607015×10 ⁻³⁴ joule sekunder. Plancks konstant kan hittas genom att dividera den elektromagnetiska frekvensen för en partikel av ljus eller "foton" med mängden energi den bär.

Konstanten mäts vanligtvis i joule sekunder men det kan också uttryckas som kilogram kvadratmeter per sekund. Vi vet vad en sekund och en meter är från de andra definitionerna. Så genom att lägga till dessa mått, tillsammans med en exakt kunskap om Plancks konstant, vi kan få en ny, mycket exakt definition av kilogram.

Andra enheter

En del av anledningen till att det har tagit så lång tid att skapa den nya definitionen är att forskare har varit tvungna att skapa mycket exakta enheter för att mäta Plancks konstant med en tillräckligt hög grad av noggrannhet. Metoden har också varit kontroversiell eftersom den kommer att bryta länken som kilogram har till andra bas SI-enheter, speciellt mullvaden, som mäter mängden av ett ämne i termer av antalet partiklar som det är tillverkat av. Vissa forskare har föreslagit alternativa metoder som ett resultat.

Men efter en symbolisk omröstning, den nya definitionen av kilogram kommer att användas av International Bureau of Weights and Measures och nationella mätinstitut runt om i världen, tillsammans med nya definitioner av de återstående bas-SI-enheterna, Mullvaden, kelvin (temperatur), ampere (ström) och candela (ljusstyrka).

För de flesta, vardagen kommer att fortsätta som vanligt trots omdefinieringarna. En vanlig påse socker kommer att innehålla lika mycket socker som den någonsin har gjort. Men några av dessa förändringar, till exempel till kelvinen, kommer att innebära praktiska fördelar för forskare som gör mycket exakta mätningar. Och för att svara på frågan "hur mycket är ett kilo", vi kommer inte längre att behöva jämföra platinablock eller oroa oss för att repa dem.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.