Het is nu officieel. De snelheid van het licht is precies 299.762.458 meter per seconde. Er is geen onduidelijkheid over, geen van die “foutenbalken” waarmee wetenschappers de onzekerheden aangeven die inherent zijn aan elke meting. De waarde van deze fundamentele natuurconstante is arbitrair vastgesteld door een internationaal fiat.
Met de vaststelling van een vaste waarde voor de lichtsnelheid probeert de Algemene Conferentie voor maten en gewichten de natuur echter niet voor te zijn. In plaats daarvan heeft zij op 20 oktober de wereld een nauwkeuriger standaard voor lengte gegeven, waarbij de meter nu wordt afgeleid van de kleur van een laserstraal met behulp van de overeengekomen lichtsnelheid.
Daarmee heeft de conferentie een reuzenstap gezet naar de vereenvoudiging van ons stelsel van maten en gewichten, zodat althans enkele van de basiseenheden rechtstreeks op de tijd zijn gebaseerd.
De meter is nu officieel gedefinieerd als de afstand die het licht in vacuüm aflegt in de ongelooflijk korte tijdspanne van één seconde gedeeld door 299.762.458. De lengte-eenheden die worden gebruikt om de hoogte van een berg of de reikwijdte van uw onderarm te beschrijven, zijn dus rechtstreeks aan de seconde gekoppeld. Ooit zal bijvoorbeeld de kilogram ook op de tijd worden gebaseerd.
Astronomen zijn er al lang aan gewend om met behulp van de lichtsnelheid de tijd te gebruiken om een lengte-eenheid te definiëren. Het lichtjaar, waarmee zij de afstand tot een ster aanduiden, is de afstand die het licht in een jaar aflegt. Maar dat is tot nu toe niet het geval geweest voor de standaard-basiseenheden (zoals meter, kilogram, seconde of ampère) die, bij internationale overeenkomst, ten grondslag liggen aan alle andere meetstelsels. Zelfs het lichtjaar wordt uiteindelijk gerefereerd aan de standaardmeter.
Krijg de Monitorverhalen die u interesseren in uw inbox.
Door u aan te melden, gaat u akkoord met ons privacybeleid.
Tot nu toe was die standaard in principe een lengte. Ooit was dat letterlijk de afstand tussen twee merktekens op een platina-iridiumstaaf die werd bijgehouden door het Internationaal Bureau voor maten en gewichten in Parijs. Tegen 1960 was dit echter veel te grof geworden voor de precisiemetingen van natuurkundigen en astronomen. Daarom werd de meter opnieuw gedefinieerd als 1.650.763,73 golflengten van het oranjerode licht dat wordt uitgezonden door een krypton-86 lamp (krypton-86 is een van de verschillende vormen van dat element). Nu is ook deze standaard te onnauwkeurig geworden voor de behoeften van de wetenschap.
Dit zoeken naar steeds grotere precisie is wat metro-logici ertoe heeft gebracht de eenheid van lengte te baseren op de seconde in plaats van op een werkelijke fysieke afstand. De belangrijkste reden hiervoor is dat de seconde de nauwkeurigste van alle basiseenheden is”, aldus Kenneth W. Evenson van het Amerikaanse National Bureau of Standards (NBS). Hij kan worden gemeten tot op beter dan één deel op 10.000 miljard. De kryptonmeter was nauwkeurig tot ongeveer 4 delen op een miljard.
Het belangrijkste instrument om de meter aan de seconde te koppelen is de laser. De golflengte van licht is wiskundig gerelateerd aan de frequentie – golflengte is gewoon de snelheid van het licht gedeeld door de frequentie. En de frequentie, zegt Evenson, kan 1.000 tot 10.000 keer zo nauwkeurig worden gemeten als de golflengte.
Een laser levert het soort zuivere, stabiele lichtbron die nodig is voor dit precisiewerk. Dan, met het gebruik van een spiegel, kan dit licht worden gemaakt om met zichzelf te interageren om een kenmerkend patroon van heldere en donkere lijnen te produceren die franjes worden genoemd. De afstand tussen deze franjes staat in direct verband met de golflengte van het licht. En aangezien de golflengte nauwkeurig wordt berekend uit de frequentie van het licht, hoeft een metroloog alleen maar het juiste aantal franjes te tellen – dat wil zeggen, het juiste aantal golflengten – om een standaardmeter uit te zetten, legt Evenson uit.
Omdat de meting van de frequentie direct gekoppeld is aan de meting van de tijd, is de nauwkeurigheid van de frequentiemetingen, en dus de precisie van de standaardmeter, nu direct gekoppeld aan de precisie van de atoomklok, de meest nauwkeurige van alle huidige standaarden voor maten en gewichten.
Het werk van Evenson en zijn collega’s van het NBS-laboratorium in Boulder, Colo, hielp de Algemene Conferentie voor maten en gewichten de nieuwe definitie van de meter goed te keuren. Hij zegt dat de standaardmeter nu al tien keer zo nauwkeurig is als toen hij nog gebaseerd was op de golflengte van kryptonlicht. Hij voegt eraan toe dat het niet moeilijk zou moeten zijn om de nauwkeurigheid nog eens te vertienvoudigen.
Maar hoe zit het met andere eenheden? Is het realistisch om te proberen de kilogram te baseren op tijdmetingen, bijvoorbeeld, nu dit is gedaan voor de meter? Evenson zegt dat hij zich niet kan voorstellen hoe dit te doen voor graden van temperatuur of ampères van elektrische stroom. Maar hij zegt dat het misschien wel mogelijk is voor de kilogram door de afstand tussen atomen in kristallen van silicium te meten. Als het aantal atomen in een standaardvolume van zo’n kristal nauwkeurig kan worden gemeten, zou dit een manier kunnen zijn om massa (dat is de kilogram) in termen van lengte te definiëren. Dus, zegt Evenson, met de meter en de kilogram gekoppeld aan de seconde, ”zou je een vrij goed werk kunnen doen door het aantal basiseenheden te verminderen in termen van de seconde.”