meten

Sinds wetenschappers in het verre verleden het standaard kilogram hebben afgewogen (dat wordt gebruikt om alle andere standaarden te ijken) gebeuren er vreemde, onverklaarbare dingen mee. Zo blijkt de massa van het universele ijkkilogram in Parijs sinds 1990 met vijftig microgram te zijn gedaald. Moeten we over op een andere standaard of zijn we op het spoor van een uniek, onbekend verschijnsel?

Het oerkilogram

Elke weegschaal wordt geijkt met een standaardkilogram. Dat is op zijn beurt weer een kopie van de Nederlandse versie van het  ijkkilogram, die weer een kopie is van het Internationale Prototype Kilogram (IPK) dat met zes kopieën wordt bewaard in een strengbeveiligde kluis in het Franse Institut de Poids et Mésures in Sèvres, een voorstad van Parijs. Het internationale standaardkilogram is gemaakt van een legering van 90% platina met 10% iridium.  Om beschadigingen en andere veranderingen te voorkomen, staan er drie glazen stolpen over het kilogram en wordt het geregeld schoongemaakt. Om de paar decennia (de laatste keer gebeurde dit in 1990) wordt het standaardkilogram opnieuw gewogen en worden alle andere standaardkilogrammen hierop geijkt.

Raadselachtige afname in gewicht

Sinds 1890 blijkt het standaardkilogram tot vijftig microgram lichter te zijn geworden dan de kopieën van het standaardkilogram. Vijftig microgram is niet veel: een twintigmiljoenste deel van een kilo – maar dit maakt nauwkeurige natuurkundige bepalingen waarin massa een rol speelt, onbetrouwbaar. In het dagelijks leven is dit verschil verwaarloosbaar, maar niet voor wetenschappers die met zeer nauwkeurige apparatuur werken.

Meetfouten? Zou het hogere kooldioxidegehalte in de lucht (wat de lucht zwaarder maakt) door de hogere opwaartse kracht het schijnbare gewicht kleiner hebben gemaakt? Zou de oprukkende bebouwing (Sèvres is nu aan Parijs vastgegroeid) het zwaartekrachtsveld verstoren? Of is er een mysterieuze natuurkracht aan het werk? Is massa soms helemaal niet wat het lijkt, zoals schrijver dezes gelooft? De discussie is nog steeds volop aan de gang.

Vervanger voor de standaardkilo

SI, het internationale meetstelsel waarmee wetenschappers en de meeste andere mensen werken, kent zeven fundamentele eenheden. Naast de kilogram is dat de meter, de seconde, de ampère (voor stroomsterkte), de kelvin (temperatuur), de candela (lichtsterkte) en de mol (het getal van Avogadro, ongeveer het aantal waterstofatomen in een gram waterstof). Alle andere eenheden zijn hiervan afgeleid. Vroeger kenden deze andere meeteenheden ook ijkstandaarden, zo bestond er ooit een standaardmeter. Deze zijn nu alle vervangen door een definitie: in het geval van de meter bijvoorbeeld, de afstand die licht in vacuüm aflegt in 1⁄299 792 458 deel van een seconde. Dit is tot nu toe alleen nog niet gelukt met de kilogram. Uiterst vervelend, want de kilogram duikt op in de definitie van veel andere SI-eenheden. Zo wordt de ampère gedefinieerd aan de hand van de kracht die twee stroomdraden op elkaar uitoefenen en komt in de eenheid voor kracht, de newton, de kilo weer voor. Kortom: dreigt de kilo te veranderen, dan gaan de andere SI-eenheden mee.

Er wordt daarom gewerkt aan een vervanger voor het meer dan honderd jaar oude stuk edelmetaal. Eén strategie is het maken van een silicium bol waarvan het aantal atomen min of meer precies bekend is. En passant wordt zo ook het getal van Avogadro tot op 23 decimalen bekend. Geen triviale taak. Helaas zit je dan nog steeds vast aan een fysiek voorwerp – dat elke paar decennia moet worden vervangen. De wattbalans is daarom populairder onder metrologen (meetkundigen). In theorie moet deze extreem nauwkeurig massa’s kunnen meten en deze nauwkeurig vastnagelen aan de fundamentele constante van Planck. De praktijk blijkt echter uiterst weerbarstig. In Engeland en Duitsland wordt er gewerkt aan de wattbalans, maar toen de Engelse en Duitse wattbalans met elkaar werden vergeleken bleek er -weer- een onverklaarbaar verschil in massa te zijn van honderden microgram. Ook blijkt er een nog veel groter verschil in massa te zijn (duizend microgram) tussen beide wattbalansen en de silicium bol. Twintig keer de meetonnauwkeurigheid van het standaardkilogram. Kortom: voorlopig zijn we nog niet van de antieke platina cilinder uit Sèvres af.

Standaardkilogram nu abstract

In 2019 is het standaardkilogram niet meer in gebruik. In plaats daarvan hebben de heren en enkele dame die verantwoordelijk zijn voor het ijkkilogram, besloten over te stappen op de Constante van Planck als elementaire eenheid, en de kilogram te baseren rel;atief ten opzichte van deze eenheid. En de onverklaarbare schommelingen van de massa van de standaardkilogrammen? Deze zijn nog steeds onverklaard.

En deze afwijkingen, uitgedrukt in microgrammen, zijn nog steeds relatief enorm. Want zo kan je een tienmiljoenste verschil in massa wel noemen. De eenvoudigste verklaring zou zijn dat de standaardkilogrammen gassen uit de atmosfeer absorberen. Van metalen als palladium is bekend dat ze waterstof absorberen. Anderen vermoeden dat er mogelijk sprake was van kwikdamp uit andere instrumenten vlakbij, die de kilogrammen doet groeien. Maar mogelijk zijn er meer exotische verklaringen. Op zich is dit wel een gedegen onderzoek waard.

Bronnen
NWT Magazine
physorg.com