I ett underjordiskt valv i en förort till Paris ligger en liten, sällan skådad metallcylinder känd som Le Grand K.

I 130 år, den här golfbollen i storlek 90% platina och 10% iridium har fungerat som den internationella prototypen kilogram. Det betyder att det var det enda fysiska objektet som alla andra kilogram över planeten mättes med.

Om mikroskopiska föroreningar i luften fick Le Grand K att växa lite tyngre, kilot i sig blev lite tyngre. Om en noggrann rengöring eller liten repa fick den att bli något lättare, kilogram i sig blev också lättare. Verkligen, det uppskattas att under sin livstid, Le Grand K har tappat 50 mikrogram massa.

Men Le Grand K:s långa regeringstid är på väg att ta slut.

Från och med måndag, kilot kommer att omdefinieras inte av ett annat objekt, men av en grundläggande egenskap av naturen som kallas Plancks konstant. Som ljusets hastighet, värdet av Plancks konstant kan inte fluktuera - det är byggt med utsökt precision in i själva universum.

"Till skillnad från ett fysiskt föremål, en grundläggande konstant förändras inte, sade Stephan Schlamminger, fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Md. "Nu kommer ett kilo att ha samma massa oavsett om du är på jorden, på Mars eller i Andromeda -galaxen. "

Forskare som har ägnat sina liv åt mätvetenskapen säger den nya definitionen av kilogrammet - och liknande förändringar av molen (som mäter mängder av mycket små partiklar), ampere (som mäter elektrisk laddning) och kelvin (som mäter temperatur) - representerar en djupgående vändpunkt för mänskligheten.

"Möjligheten att mäta med ökande noggrannhet är en del av vår art, "sa Walter Copan, direktör för NIST.

De flesta av oss vanliga människor kommer knappt att märka bytet. En 4-pund kyckling (1,81437 kg) i mataffären eller ett pund kaffebönor (0,453592 kg) på Starbucks kommer att förbli exakt densamma.

"Vi vill inte chocka systemet, "Sa Schlamminger.

Beslutet att omdefiniera fyra basenheter i International System of Units togs i november vid den 26:e allmänna konferensen om vikter och mått i Versailles, Frankrike. Delegater från 60 medlemsländer samlades i ett stort auditorium för den historiska omröstningen. Det var enhälligt. En stående ovationer och champagnebröd följde.

"Mötet i sig var en elektrisk upplevelse, sa Copan, som representerade USA "Det var en lång resa att komma till den här punkten."

Ursprunget till det metriska systemet går tillbaka till den franska revolutionen i slutet av 1700 -talet. Just då, uppskattningsvis 250, 000 olika måttenheter användes i Frankrike, göra handel och handel till en utmaning. Det nya systemet var utformat för att vara rationellt och universellt, med enheter baserade på naturegenskaper snarare än kungligt dekret eller infall av lokala hertigar och magistrater.

"Tanken var att dessa mätningar skulle vara eviga och samma för alla, överallt, sa Ken Alder, en vetenskapshistoriker vid Northwestern University i Evanston, Sjuk.

Systemets grundenhet var mätaren, som var tänkt att vara en tiomiljonedel av avståndet från nordpolen till ekvatorn längs Paris-meridianen. (Forskare gjorde då ett litet fel i sina mätningar, och mätaren är cirka 2 millimeter längre än den borde vara.)

På samma gång, kilogram definierades som massan av 1, 000 kubikcentimeter vatten vid 4 grader Celsius.

Dessa enheter antogs av den franska republiken 1795, även om det i praktiken människor fortsatte att använda sina egna lokala mått i årtionden.

"Det är inte så att alla hoppade på vagnen så snart metriska systemet formaliserades, sa Barry Taylor, en forskare emeritus vid NIST. "Så var det definitivt inte."

Länder i Europa och Sydamerika antog det metriska systemet under hela 1800 -talet. År 1875, delegater från USA och 16 andra länder undertecknade mätarfördraget i Paris. Det inrättade ett universellt system av enheter baserat på mätaren, kilogrammet och det andra som skulle effektivisera handeln mellan nationer. (Den andra definierades som 1/86, 400 av den genomsnittliga tiden det tar för jorden att slutföra en enda rotation på sin axel.)

Även om mätaren och kilogrammet baserades på jordens storlek, de definierades officiellt av metallartefakter, inklusive Le Grand K, som gjutits i London 1889 och förvarades i ett valv i källaren på den nyskapade International Bureau of Weights and Measures i Sevres, Frankrike. Medlemsnationerna fick en av 40 exakta kopior.

Mätarfördraget inrättade också General Conference on Weights and Measures (CGPM), en internationell grupp som har till uppgift att studera och rösta om föreslagna ändringar av måttenheter för alla medlemsstater.

"Metrologi är en levande vetenskap, "Sa Schlamminger.

CGPM godkände ytterligare tre basenheter 1954 - ampere för elektrisk ström, kelvin för termodynamisk temperatur och candela för ljusstyrka.

1967, den omdefinierade den andra baserat på oscillationerna av en cesium-133-atom-en mycket mer exakt och pålitlig pendel än jordens något vingliga rotation.

1983, mätaren blev den första metriska enheten knuten till en grundläggande egenskap hos universum när den omdefinierades när sträckan som ljuset färdades i ett vakuum i {99, 792, 458 sekunder.

"Idag kan vi mäta avståndet från jorden till en satellit 6 kilometer bort till en utsökt precision på 6 millimeter, sa Schlamminger. Prova det med en metersticka.

Och ändå förblev kilogramet bundet till massan av Le Grand K, ett föremål så värdefullt att det togs bort från dess trippellåsta valv endast en gång vart 40:e år för rengöring och kalibrering.

Metrologer har längtat efter att uppdatera definitionen av kilogram sedan början av 1900-talet, men förmågan att mäta Plancks konstant med nödvändig precision materialiserades först nyligen.

Plancks konstant är ett tal som relaterar ljusets energi och frekvens, ungefär som hur pi relaterar en cirkels omkrets och diameter. De tekniska framsteg som fastställde värdet på konstanten kom i passar och starter.

På 1970 -talet, forskare vid Storbritanniens National Physical Laboratory utvecklade en ny typ av skala som relaterar massa till elektromagnetisk kraft. Den fick namnet Kibble-balansen för att hedra sin uppfinnare, Bryan Kibble, och även om det ännu inte var tillräckligt exakt för att omdefiniera kilogram, det föreslog en väg framåt.

År 2005, mätningar gjorda med Kibble -balansen hade förbättrats tillräckligt för att en grupp forskare som är kända bland metrologer som Five of Gang skrev ett papper med titeln, "Omdefinition av kilogram:ett beslut vars tid har kommit."

"Det papperet startade verkligen hela denna odyssé, "Sa Schlamminger.

Under 2013, experter enades om att för att ändra definitionen, nationella metrologiska institut skulle behöva mäta Plancks konstant till en precision på 20 delar per miljard, och visa att två olika metoder för att ta mätningen skulle ge samma svar.

"Ett experiment kan ha en dold defekt, men om du har två helt olika tillvägagångssätt och de håller med, då är chansen att du har helt fel väldigt liten, "sa Ian Robinson, en forskare vid National Physics Laboratory.

Kibble -balanser gav ett värde. Den andra mätningen involverade en sfär i mjukbollstorlek av rent berikat kisel. Strukturen hos 1-kilosfären, och atomerna inuti den, tillät forskare att exakt mäta Avogadros konstant, som relaterar antalet atomer eller molekyler i ett ämne till dess massa. Det användes för att bestämma Plancks konstant med hjälp av väl förstådda ekvationer.

"Kiselsfären fungerade som en kontroll av Kibble -balansmetoden, "Sa Taylor.

En liknande filosofi om att använda fasta konstanter ligger till grund för de nya definitionerna av mullvad, kelvin och ampere. Efter måndagen, mullvaden definieras av värdet av Avogadros konstant, kelvin med värdet av Boltzmann -konstanten (som relaterar temperatur till energi), och ampere med värdet av den elementära laddningen, den minsta observerbara laddningen i universum.

"Alla har tillgång till dessa grundläggande konstanter, " sa Schlamminger. "De gör inte skillnad mellan rika och fattiga. Allt du behöver är lite fysik. "

De gör inte heller diskriminering mellan jordbor och varelser någon annanstans i universum. Precis som den första iterationen av det metriska systemet effektiviserade kommunikation och handel mellan nationer, de nyligen definierade enheterna kan en dag hjälpa mänskligheten att kommunicera med utomjordingar, sa forskare.

"Om vi ​​tar kontakt med utomjordingar, vad ska vi prata med dem om? Fysik. Det finns inget annat, "Sade Schlamminger." Men om du berättar för utomjordingar att våra måttenheter är baserade på en metallstump, du kommer att vara galaxens skratt. "

Forskare vet inte hur de nya enheterna kommer att påverka framtida upptäckter, men det är säkert möjligt att de gör det. Till exempel, den andra kan nu mätas så exakt att forskare kan upptäcka små förändringar i jordens gravitationsfält eftersom tiden går bara lite snabbare ju längre den kommer från ett tyngdpunkt.

"Lord Kelvin, en av ledarna inom området metrologi sa, 'Att mäta är att veta, "Sa Copan." Som vi kan mäta med ökande precision, vi kan lära oss mer om grunderna i vårt universum och livets grunder. "

Robinson sa att de nya definitionerna kommer att göra det möjligt för forskare att öppna upp sin fantasi kring mätningsmöjligheter.

"Från och med nu, de behöver inte tänka på den här klumpen av platina och iridium i Paris – de måste bara tänka på fysiken, " han sa.

© 2019 Los Angeles Times
Distribueras av Tribune Content Agency, LLC.