Prøv avisen

En 200 år gammel drøm realiseres: Kilogrammet mister sin fysiske form

Lars Nielsen ses her med den sorte specialbyggede cylinder, som han bruger, når han skal eskortere loddet til Paris. – Foto: Olafur Steinar Gestsson/Ritzau Scanpix

Som den eneste enhed er kilogrammet defineret ud fra et fysisk objekt, et metallod fra 1879. Men i fremtiden vil kilogrammet være baseret på Plancks konstant, krystalkugler og en elektromagnetisk vægt. Dermed realiseres en 200 år gammel drøm

I et pengeskab i en kælder i Hørsholm står et metallod under to glasklokker. Det er den danske normal for kilogram og lillebror til den internationale prototype, der står i Paris. Men i morgen får kilogrammet en ny definition, og dermed bliver loddet i Hørsholm og dets storebror i Paris sendt på pension. Men det betyder også, at et 200 år gammelt ideal bliver indfriet, når alle de basale måleenheder baseres på naturkonstanter.

Det danske lod bor hos Danmarks Nationale Metrologiinstitut – ikke at forveksle med Danmarks Meteorologiske Institut. På metrologi-instituttet i Hørsholm, også kaldet Dansk Fundamental Metrologi eller DFM, har man nemlig intet med vejrudsigter at gøre. I stedet er man eksperter i metrologi, videnskaben om målinger og måleteknikker.

Under skovbunden i den nordsjællandske skov, der omkranser DTU Science Park, strækker instituttets kælder sig. Hernede er de forskellige laboratorier. Her er næsten trykkende varmt, for hernede er fyrrummet også, fortæller Lars Nielsen, der er ph.d. i faststoffysik og her på stedet ansvarlig for masse og dataanalyse.

Han låser op til forkammeret til ét af laboratorierne.

”Du må gerne lige tørre dine fødder af,” siger han. Måtten er et stort, hvidt klistermærke på gulvet. Det tager det værste snavs, man ellers kunne slæbe med ind i laboratoriet.

Danmark var ét af 17 lande, der som de første underskrev Den Internationale Meterkonvention i 1875. Med det dannedes Det Internationale Bureau for Mål og Vægt, BIPM, og ambitionen var at etablere fælles og meget præcise måleenheder.

Man tog udgangspunkt i det system, der var blevet udviklet i Frankrig siden Den Franske Revolution i slutningen af 1700-tallet. Idealet var, at enhederne skulle være defineret ud fra naturkonstanter. Meteren var givet som en ti-milliontedel af afstanden fra Nordpolen til Ækvator gennem Paris-medianen, og kilogrammet var bestemt ud fra massen af én kubikdecimeter vand ved fire grader celsius.

Ud fra disse mål fik man udformet en platinstok og et platinlod, der efterfølgende blev anvendt som normaler for længdeenheden meter og masseenheden kilogram.

I forbindelse med Meterkonventionen måtte man imidlertid indse, at normalerne ikke var helt i overensstemmelse med de oprindelige definitioner. I stedet udformede man i 1879 nye prototyper ud fra målene af de gamle normaler, og idealet om enheder ud fra naturkonstanter blev skrinlagt.

Man lavede kopier af prototyperne, som blev fordelt mellem medlemslandene, og i Hørsholm står kopi nummer 48.

Med tiden blev flere enheder føjet til systemet. Siden 1971 har der været syv basis-enheder, som udover kilogram og meter er sekund som enhed for tid, ampere som enhed for strøm, kelvin som enhed for temperatur, candela som enhed for lysstyrke og mol som enhed for kemisk stofmængde.

Fra det lille forkammer sluses man ind i laboratoriet gennem to døre. Derinde falder temperaturen markant. Faktisk er der hele tiden 20 grader celsius. Når man laver præcisionsmålinger af den kaliber, som Lars Nielsen gør her, har temperatur nemlig en del at sige.

Laboratoriet er meget lyst og meget hvidt. På et bord i rummets højre side står 14 trækasser i forskellige størrelser og farver. I dem er metallodder helt ned til et ét mikrogram og op til 20 kilogram.

Ved kasserne ligger et par hvide handsker, og under et gennemsigtigt plastlåg er tænger, pincetter og børster til at håndtere lodderne.

Lars Nielsen knæler ned foran et kubisk pengeskab, der står på gulvet. Tik, tik, tik, lyder det i genkendelig Olsen Banden-stil fra drejekodelåsen. Han åbner den tunge dør og løfter en glasklokke ud. Inde i klokken står en anden lille glasklokke, og inden i den er et guldfarvet podium, hvorpå der står et lille metallod. 48 står der sirligt som en skygge på det skinnende lod.

Hvert femte år transporterer Lars Nielsen personligt den danske kilogramnormal til Paris. Her sammenlignes den med massen af sin storebror. Eller det vil sige, at loddet sammenlignes med en række kopier af den internationale normal.

Den originale prototype løftes nemlig kun meget sjældent ud af sin glasklokke. Oftest, når det skal sammenlignes med medlemslandenes lodder. Det sker for at sikre, at de normaler, der bruges til at realisere kilogrammet, er i overensstemmelse med hinanden. Men sidst, prototypen var ude, skete noget ret uventet.

”I slutningen af 2014 tog man prototypen ud for at foretage sammenligningen. Det viste sig, at masserne var op til 35 mikrogram anderledes end antaget,” forklarer Lars Nielsen, som også er medlem af den konsultative komité, der vejleder BIPM og medlemslandene vedrørende masse.

Da Lars Nielsen blev ansat ved instituttet i 1986, var der på internationalt plan snak om en revision af kilogramdefinitionen. Man ønskede en definition baseret på en uforanderlig naturkonstant, og den var lige rundt om hjørnet, sagde man.

Men selvom ønsket om en ny definition har eksisteret i mange år, har man også kæmpet imod, fordi man ikke mente, at de nye realiseringer var præcise nok. I mellemtiden er teknikkerne blevet forfinet, ligesom usikkerheden ved prototypekilogrammet jo viste sig at være betydeligt større end ellers antaget.

Og i morgen sker det så, når generalkonferencen for BIPM kl. 11.00 dansk tid åbner det møde, hvor der skal stemmes om den nye definition. Også Danmark er repræsenteret med direktør for DFM Michael Kjær i spidsen. Hele sessionen livestreames over YouTube, og ser man med, regner Lars Nielsen med, at man vil være vidne til en så godt som enstemmig vedtagelse.

Med det indfries det 200 år gamle ideal for metersystemet.

”Ambitionen var et system baseret på naturkonstanter, og som alle kan bruge. Med de nye definitioner bliver systemet mere robust og entydigt, og alle enheder vil være baseret på konstanter. Alle enhederne kan nu i princippet realiseres af hvem som helst,” fortæller Lars Nielsen.

Kilogrammet er den eneste enhed, der endnu er bundet til et fysisk artefakt, siden platinstokken i 1960’erne blev droppet som definition af meteren. Meteren er i dag defineret ud fra lys og tid – nærmere bestemt den afstand, som lyset i vakuum tilbagelægger i løbet af 1/299.792.458 sekund.

Så når metallodderne sendes på pension, hvad tager da deres plads? Kort sagt skal kilogrammet fastlåses til værdien af naturkonstanten Plancks konstant, som er det meget lille tal 6,62607015 x 10-34 med enheden kg m2 s-1.

Det betyder, at kilogrammet fremover skal realiseres på anden vis end ved et metallod, og på nuværende tidspunkt kan det gøres gennem to eksperimenter, som gør brug af henholdsvis krystalkugler og en elektromagnetisk vægt.

Det ene eksperiment går ud på at fremstille en meget stor krystalkugle af stoffet silicium-28. I den krystal kan man bestemme afstanden mellem atomerne og udregne den volumen, et enkelt siliciumatom optager i krystallen.

Ud fra krystalkuglens volumen kan man udregne antallet af siliciumatomer i kuglen, og ved hjælp af Plancks konstant kan man beregne massen af ét siliciumatom og dermed hele krystalkuglens masse. Denne masse er altså realiseringen af kilogrammet.

I det andet eksperiment benyttes en ligearmet vægt, hvor der på den ene side hænger et lod, som tyngdekraften virker på, mens der på den anden side hænger en spole i et magnetfelt. Først måles den strøm, der skal sendes igennem spolen, for at den elektromagnetiske kraft udbalancerer tyngdekraften på loddet.

Dernæst bevæges spolen med konstant hastighed gennem magnetfeltet, og spændingen induceret i spolen måles. Strøm og spænding kan måles meget præcist i forhold til elektronens ladning og Plancks konstant, og sammen med målene for tyngdeaccelerationen og hastigheden kan massen af loddet beregnes.

”Den har vi fået specialbygget,” fortæller Lars Nielsen om den sorte cylinder, der står på bordet ved siden af metalloddet bag de to glasklokker. Cylinderen bruger han, når han skal eskortere loddet til Paris. Men det kan meget vel være slut fra i morgen, hvor der formentlig ikke længere vil være grund til, at medlemslandene har kopier af kilogramprototypen.

Så hvad sker der med alle metallodderne i kælderen under metrologiinstituttet i Hørsholm?

På instituttet bruges lodderne også til såkaldt kalibrering for virksomheder, eksempelvis i medicinalindustrien, som har brug for at foretage meget præcise afvejninger af masse. Og det fortsætter nok i mange år endnu, ligesom det nye kilogram formentlig ikke foreløbig får mærkbar betydning for folk uden for metrologibranchen.

”Før den nye realisering af kilogrammet kan erstatte lodderne, skal der etableres en praksis, og metoder og instrumenter skal være alment tilgængelige. Så lodderne bliver indtil videre,” siger Lars Nielsen og placerer loddet bag lås og slå i pengeskabet under den nordsjællandske skov.

På DFM kan man også realisere meteren ved brug af lasere. Meteren var frem til 1960’erne defineret af en platinstok, men er i dag givet ved den afstand, som lyset i vakuum tilbagelægger i løbet af 99.792.458 sekund. Foto: Olafur Steinar Gestsson/Ritzau Scanpix