Kilogrammet är nu (äntligen) utbytt

En historisk händelse – på gränsen till en mätteknisk revolution. Så beskrivs det faktum att kilogrammet nu är utbytt på riktigt, även om vi i Sverige får ge oss till tåls. Vi får sväva i viktlöshet ett tag till.

Sedan en tid tillbaka är ett kilogram inte längre ett kilogram. Inte riktigt, i alla fall.

I februari i år övergick man nämligen till ett helt nytt system för att uppskatta hur mycket ett kilogram egentligen är.

– Nu utgår man inte längre från en metallklump i Paris, utan från Plancks konstant i stället, säger Sten Bergstrand.

Han är forskare vid Sveriges Riksmätplats, den funktion som – på uppdrag av regeringen – ansvarar för att de svenska varianterna av de fysikaliska storheterna i det internationella måttenhetssystemet SI samordnas med Internationella byrån för mått och vikt (BIPM) i Paris, där Bergstrand sedan en tid är verksam.

Den gamla definitionen av exakt hur mycket ett kilogram faktiskt är, bygger på den internationella kilogramprototypen (IPK). Den består av en metallcylinder av platina och iridium som förvarats i Paris alltsedan det skapades år 1889. Denna metallklump har alltså – per definition – varit ett kilogram. Punkt.

Utifrån denna cylinder har sedan ett antal länder låtits tillverka kopior, däribland Sverige vars ”rikskilogram” förvaras bakom lås och bom i Borås.

Inom metrologin (läran om att mäta och väga saker) är spårbarhet något av ett ledord. Ett måste, helt enkelt. Det gäller även när du köper bananer i mataffären. För denna till synes enkla vägning ska nämligen

kunna gå att spåra ända till den ursprungliga storheten.

– Det är det som den lilla klisterlappen på baksidan av vågen visar, säger Sten Bergstrand.

På så sätt har vägningen i mataffären, via de kontrollvägningar som utförs med jämna mellanrum, och som i sin tur stäms av med kalibreringar på forskningsinstitutet Rise i Borås, kunnat härledas till det internationella kilogrammet i Paris, så att du som kund har kunnat veta att vågen visat rätt.

Men att förlita sig på en metallcylinder i Paris har sina uppenbara nackdelar. Dels blir systemet sårbart (för tänk om cylindern skulle skadas eller försvinna), dels finns en viss osäkerhet i mätningarna. Framför allt när mycket små saker ska vägas.

Därför har forskarna velat hitta ett annat sätt att definiera ett kilogram på, ungefär som man gjort för längd (meter), där man tagit ljusets hastighet i vakuum till hjälp, och tid (sekund) där man sedan

1960-talet utgår från cesiumisotopens svängningar.

Hösten 2018 beslutade man därför om en helt ny ordning för hur ett kilogram ska definieras, ett beslut som trädde i kraft i maj 2019.

– Men det är inte förrän nu som man i praktiken flyttat över från det gamla till det nya systemet, säger Sten Bergstrand.

Sedan den 1 februari i år härleds inte alla vägningar till metallklumpen i Paris längre, utan till Plancks konstant. Det vill säga den naturkonstant som introducerades i samband med kvantfysikens födelse.

Och efter att ha vägt metallklumpen i Paris med det nya sättet att mäta, visade det sig att den inte riktigt väger ett kilogram längre. Åtminstone inte enligt den nya definitionen.

– Det skilde sig med några mikrogram. Mättekniskt är det en stor framgång. Trots det måste alla mätvärden justeras lite, lite grann. Men det är så pass lite att det inte kommer att påverka mer än en handfull laboratorier runtom i världen, säger Sten Bergstrand. Vilken praktisk nytta kommer vi att ha av allt detta?

– Förutom att sårbarheten blir mindre, kommer det framför allt att göra skillnad vid små mätningar, eftersom osäkerheten minskar. Vi kommer att bli mycket duktigare på att mäta små vikter.

Detta har dock försatt Sverige i en prekär situation såtillvida att vi inte har den typ av våg som krävs för att kunna realisera det nya kilogrammet. I Sverige kan alltså inte vägningarna härledas till Plancks konstant, utan ”bara” till den numera avpolletterade kilogramprototypen. Har vi blivit tyngdlösa?

– Ha ha, eller snarare viktlösa. Det skulle man kunna säga, eftersom kilogrammet i Paris inte längre definierar vad ett kilogram är, säger Karin Cedergren, forskare på Rise och verksam på Sveriges Riksmätplats i Borås.

Det som krävs är en så kallad kibblevåg, som Karin Cedergren, med hjälp av forskarkollegor i både Sverige och Storbritannien, nu håller på att färdigställa.

– Det är en elektromagnetisk våg som fungerar ungefär som en balansvåg, säger hon.

Vågen bygger på principen att en elektrisk ström genom en spole som befinner sig i ett yttre magnetfält kan alstra en kraft. Denna kraft, som används för att balansera upp det som ska vägas, styrs av strömstyrkan och genom att mäta strömmen går det att – via Plancks konstant – räkna ut vilken kraft som behövs och därmed också vad vikten väger.

– På så sätt får viktenheten, det vill säga kilogrammet, en spårbarhet till Plancks konstant. Principen är enkel, men det kräver en oerhörd precision. Det som är svårt att få riktigt rätt är spolen och magnetfältet. Därför genomförs ett steg till då vi rör spolen upp och ner och mäter den spänning som genereras samt hastigheten på spolen med hjälp av laser. På så sätt försvinner osäkerheterna och vi får en väldigt exakt vägning, säger Karin Cedergren.

Britterna är nu i full gång med att tillverka mekaniken till den första svenska kibblevågen, som kommer till Sverige i mars nästa år. Därefter krävs ytterligare arbete.

– I slutet av nästa år hoppas vi kunna genomföra den första realiseringen av kilogrammet i Sverige, säger Karin Cedergren.