Vi vet inte längre hur tungt ett kilo ska vara

Du vet inte hur mycket du väger. Även om du läser av precis hur mycket vågen visar, så kan du ändå inte vara riktigt säker. Problemet är att själva definitionen av ett kilo inte längre går att lita på. Sedan drygt hundra år förvaras en tomatstor metallcylinder under tredubbla glaskupor i ett kassaskåp, på ett slott i Sèvres utanför Paris. Ett kilogram är per definition exakt lika med den här cylinderns massa. Det bestämde Internationella vikt- och måttbyrån 1889. Men metallcylinderns massa verkar ha förändrats. När BIPM, Bureau international des poids et mesures (Internationella byrån för vikt och mått), i slutet av 1800-talet lät tillverka cylindern av en noga utvald blandning av platina och iridium gjorde de även ett antal kopior. Några av dem förvaras i samma kassaskåp, andra skickades ut till nationella mätinstitut runt om i världen. En av kopiorna är det svenska rikskilogrammet på Sveriges tekniska forskningsinstitut i Borås (SP), som används för att kalibrera landets allra noggrannaste vågar och vikter. Med ungefär trettio års mellanrum förs kopiorna till Paris för att efter en speciell tvättningsprocedur jämföras med det internationella kilogrammet. Redan 1992 bekräftades vad Internationella vikt- och måttbyrån börjat misstänka redan på 1950-talet: kopiorna hade ökat i massa jämfört med den internationella kilogramprototypen. Fast egentligen kan det vara kilogramprototypen som minskar i massa. Ingen kan säga vilket, eftersom det bara går att jämföra dem med varandra. Det handlar förvisso bara om skillnader på ungefär 50 mikrogram, det vill säga 50 miljarddelar av ett kilo. På badrumsvågen spelar så små skillnader ingen roll. Men de blir betydelsefulla för de fysiker som gör experiment på kvantnivå. – Om vi kan minska osäkerheten hos kilogrammet öppnas nya möjligheter för att bättre bestämma hur världen är beskaffad, säger Leslie Pendrill, som är mätexpert vid SP och ordförande i den europeiska mätorganisationen Euramet. Därför står en ny kilogramdefinition högt upp på BIPM:s agenda. Kilogrammet är den enda av de sju grundenheterna i det internationella enhetssystemet (SI) som fortfarande definieras genom en artefakt, ett fysiskt föremål. Förutom att det kanske ändrar massa dras det med en rad andra nackdelar på grund av att definitionen hänger på ett enda objekt. Dels är den bunden till en geografisk plats där kilot förvaras. Dels är prototypen svårtillgänglig, eftersom den förvaras inlåst nästan jämt på grund av risken för ovarsam hantering eller stöld. För att få bukt med problemen är planen att definiera om kilogrammet utifrån en fundamental naturkonstant. – Det har man drömt om länge. Fysikern James Maxwell insåg att det vore det bästa sättet redan i slutet av 1800-talet, berättar Leslie Pendrill. Med exempelvis metern – som ursprungligen var tänkt att representera en tiomiljondel av sträckan mellan ekvatorn och nordpolen – är man redan i mål. Tidigare definierades metern av en metallstav, även den inlåst på Sèvres-slottet. Men så småningom blev mätningarna av ljusets hastighet så noggranna att de främst begränsades av osäkerheten i meterns längd. Därför beslutade BIPM 1983 att vända på steken. De fixerade ljushastigheten – som är en naturkonstant – till det noggrannaste kända värdet och definierade i stället metern som den sträcka ljuset färdas på bråkdelen (1/299 792 458) av en sekund. Laboratorier på olika håll i världen kan nu mäta upp en exakt meter med hjälp av laserstrålar. I dag arbetar forskare världen över med att ta fram ett liknande sätt att definiera kilogrammet. Idéerna har varit många, men nu återstår två huvudspår. – Det mest lättförståeliga vore att definiera kilogrammet som massan hos ett visst antal atomer, säger Horst Bettin vid Tysklands nationella mätinstitut i Braunschweig. Han leder det internationella Avogadro-projektet som står för den ena metoden. Den går ut på att med mycket hög noggrannhet ta reda på hur många kiselatomer det går på ett kilogram. Svårigheten är att det handlar om storleksordningen tio kvadriljoner (1025) atomer. Så långt hinner ingen räkna under sin livstid. För att komma runt problemet har Avogadro-forskarna tillverkat en enkilos näst intill perfekt klotformad kristall av kisel. Med avancerade mätinstrument, så kallade interferometrar, mäter de dels hur stor volym en atom tar upp och dels hela klotets volym. Därefter kan de räkna ut hur många atomer klotet innehåller. Den andra metoden går ut på att definiera kilogrammet på elektrisk väg, med ett specialkonstruerat instrument som kallas för wattvåg. Kilovikten balanseras då med hjälp av kraften som uppstår när en elektrisk ström går genom en spole i ett magnetfält; ett slags elektromagnetisk motvikt. Genom att sedan mäta strömstyrkan går det att relatera massan till Plancks konstant – en fundamental naturkonstant som beskriver minsta mängd energi enligt kvantfysiken. Och det är just Plancks konstant som för närvarande är den mest troliga utgångspunkten för en ny definition av kilogrammet. Därmed inte sagt att Avogadro-projektet är ute ur leken – från deras atomräkning går det utmärkt att ta sig till Plancks konstant via några fysikaliska ekvationer. Länge låg wattvågen vid National institute of standards and technology (NIST) i Maryland, USA, bäst till. Där nådde forskarna redan 2007 en mätosäkerhet på bara 36 miljarddelar. Men deras resultat stämde inte överens med världens näst bästa wattvåg, så de kunde inte utesluta att några fel hade smugit sig in i mätningarna. Samma år antog BIPM:s allmänna konferens en resolution om att mätinstituten intensivt skulle jobba vidare, med förhoppningen att en ny kilogramdefinition skulle kunna godtas vid nästa konferens, som äger rum nu i oktober 2011. Men svårigheterna hopar sig, och i dag står det klart att årets konferens i London inte kommer att kunna klubba igenom det nya kilot. Avogadro-projektet har tidigare använt naturligt kisel i sina klot, vilket visade sig bidra till osäkerheten. Men forskarna tog hjälp av ett ryskt laboratorium. Med samma centrifuger som anrikade uran under kalla kriget tillverkade de kisel med en enda typ av kiselatomer, isotopen kisel-28. I början av 2011 kunde Avogadro-projektets forskare publicera resultaten av mätningarna på de nya kloten. De hade lyckats få ner osäkerheten till 30 miljarddelar. – Nu leder vi för första gången över wattvågen, säger Horst Bettin. Men det är fortfarande en bit kvar innan en ny kilogramdefinition är i hamn. – Vi måste vara mycket försiktiga så att vi säkert inte begår något misstag. Fel eller dålig noggrannhet i bestämningen av naturkonstanten som ska ligga till grund för omdefinieringen kan leda till problem med det nya kilogrammet, förklarar Alain Picard, som är chef för sektionen för massa på BIPM. För en ny definition av kilogrammet kräver BIPM därför att Avogadro-projektet och minst två wattvågar ger samma resultat. Genom att jämföra två helt olika typer av experiment går det nämligen att utesluta risken för systematiska fel. Dessutom krävs att osäkerheten i de olika experimenten är högst 50 miljarddelar, och minst ett av dem måste nå ner till 20 miljarddelar. – Jag tror att det blir mycket svårt för något wattvågsexperiment att komma ner till 20 miljarddelar, säger Alain Picard. Planen är därför att Avogadro-projektet ska klara den gränsen. – Vi tror att vi kan lyckas, säger Horst Bettin i Braunschweig. De tyska forskarna har redan byggt en ny apparat som ska mäta kiselklotets diameter ännu noggrannare. Dessutom har de tagit bort metaller som av misstag fastnade på klotets yta vid förra mätomgången. Nu ska klotet skickas ut för nya mätningar på mätinstitut runt om i världen. – Det kommer att ta minst två år. Varje kvantitet måste mätas på mer än ett ställe, säger Horst Bettin. Därutöver måste ytterligare en wattvåg nå ner till en osäkerhet på 50 miljarddelar. Många laboratorier jobbar hårt på saken, bland annat i Frankrike, Kanada och Kina. Men det största problemet är att Avogadro-projektet och den amerikanska wattvågen vid NIST hittills har gett olika resultat för Plancks konstant, även när man tar hänsyn till mätosäkerheterna. Ingen vet vad det beror på. – Det skulle kunna finnas något fundamentalt inom fysiken som ligger till grund för skillnaderna. Men det kan förstås också bero på vardagliga, systematiska fel, säger den svenska experten Leslie Pendrill. Både Avogadro-projektet och wattvågen är oerhört komplexa. Att hitta eventuella okända felkällor är därför inte gjort i en handvändning. Den utdragna processen har väckt stor frustration hos somliga inom skrået. Det har till och med framkommit förslag om att helt enkelt använda medelvärdet av resultaten som inte stämmer överens, bara för att komma framåt med definitionen. Leslie Pendrill tror att brådskan hör samman med att några individer sedan länge haft kilogrammet som sitt projekt och gärna vill få till stånd en omdefinition. Själv tycker han att det är viktigare att den nya definitionen verkligen blir rätt. Alain Picard är inne på samma spår. – Vi måste förstå och komma till rätta med bristen på överensstämmelse mellan de olika metoderna innan vi går vidare med omdefinieringen. Nu har de fyra år på sig. Nästa tillfälle att besluta om en ny kilogramdefinition är på BIPM:s allmänna konferens 2015.