Een zeldzaam bezoek aan het lab waar de kilogram opnieuw bepaald gaat worden

In een hypermodern lab in het centrum van Ottawa werkt een internationaal team van wetenschappers aan een apparaat dat een van de meest fundamentele constanten van de mensheid moet herdefiniëren.

Afgelopen vrijdag mocht ik met een groep zeer enthousiaste wetenschappers van over de hele wereld een zeldzaam bezoek brengen aan dit lab.

In het midden van het ondergrondse lab van de National Research Council of Canada (NRC), staat een machine die even hoog is als een gemiddeld mens en eruit ziet als een ingewikkelde weegschaal. De complexheid ervan werd duidelijk toen ik dichterbij kwam en mijn ID-badge van me wegzweefde, aangetrokken door de krachtige magneet in het apparaat.

De wattweegschaal meet massa aan de hand van stroom en spanning. De bedoeling ervan is om een noodzaak in de wetenschap van meten te vervullen. Barry Wood, onderzoeker bij NRC, legde het me een paar dagen eerder uit bij een metrologische conferentie. De weegschaal bepaalt "een verhouding tussen elektrische standaarden en massastandaarden," zei hij. In andere woorden vertelt het apparaat ons wat een kilogram precies betekent.

Er is nauwelijks iets belangrijkers dan de manier waarop we dingen meten. Decimale basiseenheden verenigen mensen over de hele wereld en zorgen ervoor dat dingen als goederen, tijd en kennis uitgewisseld kunnen worden ongeacht de taal. Dit zit allemaal in de wetenschap van metrologie.

Het doel van metrologie is om al onze basiseenheden te koppelen aan een constante, zodat de eenheid overal in het universum gelijk kan blijven. De basiseenheid van tijd – de seconde – wordt gedefinieerd als 9,192,631,770 perioden van een bepaald soort cesiumatoom perioden van een bepaald soort cesiumatoom. Een meter is de afstand die licht aflegt in een specifieke fractie van een seconde. Deze eenheden zullen niet veranderen, waar je ook in het universum bent.

Maar hoe zit het met de kilogram?

Geloof het of niet, maar de huidige kilogram is gebaseerd op een stuk metaal. Een stuk metaal dat in Frankrijk ligt. Het ding heet de International Prototype of the Kilogram (IPK) en is een cylinder van platinum en iridium. Het is de laatste fysieke basiseenheid en is de afgelopen jaren niet ongeschonden doorgekomen.

In de late jaren 80 kwamen wetenschappers erachter dat de IPK (of 'le grand K') net iets lichter was dan de kopieën elders ter wereld. Dit was een enorm probleem.

"Zie de IPK als een kokend, kolkend ding," zei Woog. "Het is geen intrinsiek ding. Het verandert de hele tijd." We moeten de kilogram dus definiëren op een manier dat deze altijd stabiel zal zijn en dat is waar de wattweegschaal voor moet zorgen.

Op een geel voetstuk dat helemaal tot de rotsbodem onder de stad loopt staat om vibraties te voorkomen, staat de sjiek-uitziende wattweegschaal. In het midden aan de ene kant staat een gewicht op een doorzichtig rooster waar spoelen van koperkleurige draad omheen gewikkeld zijn. De andere kant is gekoppeld aan een motor.

De wattweegschaal meet op een soortgelijke manier als een klassieke weegschaal (het vergelijkt twee verschillende krachten), maar het vervangt zwaartekracht door elektromagnetisme. In feite wordt de kilogram dus gedefinieerd door de hoeveelheid stroom en spanning die nodig is om een kilogram aan massa op te tillen. De wattweegschaal werd uitgevonden door Bryan Kibble van de National Physical Laboratory in het Verenigd Koninkrijk. Kibble is eerder dit jaar overleden, net voor de conclusie van het werk dat nu al vier decennia bezig is.

Al deze moeite om de kilogram te definiëren heeft een interessant bijeffect gehad, legt Wood uit: het heeft wetenschappers geholpen om de constante van Planckopnieuw te definiëren. Natuurkundigen werken aan het reduceren van de onzekerheid van de waarde (de wattweegschaal in Canada legde in 2014 de meest nauwkeurige waarde vast). Nadat ze twee jaar de wattweegschaal perfectioneerden, hebben ze nu een nog nauwkeurigere waarde gemeten.

"De waardes zullen in juli volgend jaar helemaal vaststaan," zei Wood. "En dan zullen we in 2018 hopelijk een herdefinitie hebben, nadat we de waarden van fundamentele constanten vastgelegd hebben."

Wat betreft de kilogram verzekert Woods me dat jij of ik geen enkele verandering zullen merken: 1 kg blijft 1 kg, maar dankzij het werk van deze internationale wetenschappers zal dat ook altijd zo blijven.