NRK Meny
Normal

Kampen om kiloet

Konseptet «et kilo» er greit for de fleste av oss, men fysikerne trenger mer nøyaktighet. Nå kniver to målemetoder om å ta over for Kilogrammet i Paris.

FRANCE SHRINKING KILOGRAM

Prototyp-kiloet som står i Paris er ikke lenger bra nok for fysikerene. Men hva skal det erstattes med?

Foto: JACQUES BRINON / AP

Vi vet nøyaktig hvor lang en meter er. Vi vet også nøyaktig hvor langt et sekund er.

Når det kommer til kilo blir det derimot litt mer diffust. Kanskje ikke for folk flest, men for fysikere og forskere.

Derfor skal måleenheten kilo nå omdefineres - spørsmålet er bare hvilken ny målemetode som blir den offisielle. Kommer de til å bruke Avogrado-kulen eller Watt-vekta?

Naturlovene regjerer

For å skjønne behovet for en ny måte å måle kilo på, er det greit å forstå hvordan vi måler de andre grunnenhetene i SI-systemet (se faktaboks).

Vi har sju grunnenheter - meter, sekund, ampere, kelvin, mol, candela og kilo. Alle de andre enhetene i SI-systemet - for eksempel watt, hertz og newton - kan utledes av disse.

Felles for de seks førstnevnte grunnenhetene er at de støtter seg på naturkonstanter.

Før var meteren en stav som lå i Paris - beregna på avstanden fra Nordpolen til ekvator. Problemet er at en metallstav kan utvide seg og trekke seg sammen avhengig av temperatur, eller den kan miste noen atomer på enden.

– Så begynte vi å forstå hvordan lys fungerte. Og på et tidspunkt oppdaga vi at bølgelengden av en spesiell type lys kunne bestemme meteren, sier fysiker Bjørn Hallvard Samset til NRK.

Skulle alle linjaler og målebånd i verden på mystisk vis fordufte vil vi fortsatt kunne vite hva en meter er - nemlig lengden lyset flyr i vakuum på 1 / 299.792.458 sekund. Dette vil aldri forandre seg - en naturkonstant.

Vi har lagd et byggverk av all den moderne fysikken. Det er unødvendig i dagliglivet, men gjør at vi kan bygge opp alt fra bunnen av dersom vi skulle trenge det, forklarer han.

En klump i et hvelv

For kiloets del stiller saken seg derimot annerledes. Et kilo er vekten på en 133 år gammel klump som ligger i et hvelv i Paris.

Prototyp-kiloet ble lagd i 1879, og er en legering som består av 90 prosent platina og 10 prosent iridium.

I tillegg ble det lagd et sett med lignende kilogramklumper som skulle fungere som reserver eller referansepunkter hvis man trengte sammenligninger.

Les om kiloet på kollokvium.no

I 1988 utførte metrologer en grundig test på kiloet, og fant ut at prototypkiloet og referansekiloene ikke lenger veide det samme.

Dermed starta jakten på det nye kiloet - noe som kunne definere det ut fra en naturkonstant.

En perfekt kule

Bjørn Samset

Tradisjonelle kilomål er ikke bra nok for Samset og resten av fysikermiljøet.

Foto: Ivar Grydeland

Atomer er populære referanser i SI-systemet - konstante som de er. Problemet er bare at de som kjent er veldig små.

– Atomer er veldig nyttige å ha, men de er vanskelige å jobbe med. Man kan lage veldig rene fine klumper av en spesiell type silisium. Materialfysikere kan da sette sammen ett og ett atom i et fint gitter, forklarer Samset.

Et internasjonalt forskernettverk har gjennom et spleiselag finansiert to Avogradokuler - fullstendig sfæriske kuler av rent silisium - 28.

En perfekt kule kombinert med kunnskap om tetteheten av atomer i metallgitteret gjør at forskerne da kan finne ut nøyaktig hvor mange atomer som finnes i kula.

– Kiloet blir ikke definert ut fra selve kula - da får vi bare en ny klump i Paris. Den kan derimot bestemmes av massen til et mol (SI-enhet for antall) silisiumatomer.

Samset forklarer at denne metoden lenge har leda an i kampen om kiloet, men at den nå har fått konkurranse.

Tyngdekraft vs. elektromagnetisme

Den nye metoden som har kommet støtter seg på tyngdekrafta og elektromagnetismen - og er nok litt vanskeligere å forstå for mannen i gata.

Den kalles Watt-vekta, og handler om å balansere to naturkonstanter mot hverandre. En noe forenkla forklaring følger.

Forskerne kan bruke en ledning og la den bli påvirka av to krefter.

Den ene er vanskelig å unngå - nemlig tyngdekrafta, som trekker nedover. Hvis ledningen ligger i et magnetfelt og det i tillegg går strøm gjennom den vil den bli påvirka av en ny kraft - elektromagnetisme.

– Når det går en strøm av elektroner gjennom ledningen så merker de at det er et magnetfelt der - da blir de dytta på, forklarer Samset.

Når forskerne kjører akkurat nok strøm gjennom ledningen til at de to kreftene nuller ut hverandre kan de definere kiloet ved å finne ut nøyaktig hvor mye strøm som kjøres gjennom ledningen.

Josephson og kvante-Hall

For å måle strøm og spenning så nøyaktig som mulig brukes Josephson-effekten og kvante-Hall-effekten.

Josephson-effekten sier noe om hvordan man kan måle strømmen ved hjelp av krafta mellom to superledere som ligger ved siden av hverandre.

Men det er ikke nok å vite strømstyrken, for at regnestykket skal gå opp må også spenning og motstand identifiseres - her kommer kvante-Hall-effekten inn.

– Hvis du gjør superledere veldig flate - nesten todimensjonale - kan motstanden i kretsen bare ha noen veldig spesielle verdier. Da kan du stille inn sånn at du vet hvilken spenning, motstand og strøm du har - og dermed finne ut hvor tungt det du veier er, sier Samset.

Samset stemmer på Watt-vekta

I fjor bestemte General Conference on Weights and Measures at Paris-kiloets dager snart er ugjenkallelig talte.

Men dette vil ikke skje før enten Watt-vekta eller Avogrado-kula har vist evnen til å faktisk måle kiloet med den nøyaktigheten som kreves.

Samset liker begge metodene, men faller ned på Watt-vekta som sin personlige favoritt.

– Det er noe veldig fint og grunnleggende ved å måle to helt uavhengige naturkrefter opp mot hverandre - her tyngdekraft og elektromagnetisme - og at de to sammen kan si noe meningsfylt om den trøblete størrelen masse. Naturkreftene er, sammen med begrepet energi, det mest grunnleggende vi har i naturen, så å bruke dem direkte på denne måten er veldig elegant, sier han til NRK.no