Angka pada timbangan yang dipercaya seluruh dunia

Saat membeli beras satu kilogram, meminta 600 gram daging, atau memastikan bagasi tidak melewati batas berat, kita biasanya menerima angka pada timbangan begitu saja. Kita jarang bertanya apakah satu kilogram di Seoul sama dengan satu kilogram di Paris. Namun, kepercayaan sederhana itu penting: barang yang ditimbang di dua tempat berbeda harus memiliki ukuran massa yang sama.

Kesamaan tersebut tidak terjadi dengan sendirinya. Timbangan di berbagai negara dibuat oleh perusahaan berbeda dan digunakan pada waktu berbeda. Agar hasil pengukurannya dapat dibandingkan, dunia memerlukan satu standar bersama yang dapat dipercaya dan diperiksa kembali.

Satu kilogram bukan hanya angka untuk menentukan isi kemasan. Standar massa membantu orang yang tidak saling mengenal berdagang, membuat obat, dan memproduksi komponen dengan ukuran yang dapat diandalkan.

Dalam kegiatan sehari-hari, selisih beberapa miligram mungkin tidak terasa. Namun, dalam perdagangan emas, pembuatan obat, atau produksi bahan untuk semikonduktor, perbedaan kecil dapat memengaruhi harga, mutu, bahkan keselamatan. Karena itu, pertanyaan tentang bagaimana kilogram ditetapkan bukan sekadar urusan ilmuwan di laboratorium.

Ketika ukuran berbeda dari satu kota ke kota lain

Ukuran yang berasal dari tubuh dan kebiasaan setempat

Pada sebagian besar masa dalam sejarah, ukuran panjang dan berat berbeda-beda menurut wilayah. Orang menggunakan bagian tubuh, seperti jari, kaki, atau panjang lengan, sebagai patokan. Wadah yang dipakai untuk menakar biji-bijian juga dapat berfungsi sebagai ukuran volume.

Masalahnya, ukuran yang memakai nama serupa belum tentu sama besarnya di dua kota. Selama transaksi hanya berlangsung di lingkungan dekat, perbedaan itu mungkin masih dapat diterima. Namun, ketika perdagangan meluas melintasi daerah dan negara, pembeli dan penjual perlu tahu bahwa angka yang mereka gunakan berarti hal yang sama.

Munculnya gagasan tentang standar bersama

Pada akhir abad ke-18, Prancis mulai mengembangkan sistem ukuran yang tidak bergantung pada tubuh seorang penguasa atau kebiasaan satu kota. Sistem metrik dirancang agar satuan dapat digunakan secara luas dan dibangun berdasarkan patokan yang lebih umum. Gagasan utamanya sederhana: orang di tempat berbeda seharusnya dapat menggunakan ukuran yang sama.

Mencari patokan dari alam pun tidak mudah. Air, misalnya, berubah kerapatannya ketika suhunya berubah. Mengukur massa air secara tepat juga memerlukan kondisi yang terkendali, sehingga membuat standar yang praktis dan dapat diulang bukan perkara sederhana.

Pada 1799, Prancis membuat patokan kilogram dari platinum yang dikenal sebagai kilogram Arsip. Kemudian, seiring tumbuhnya industri dan perdagangan internasional, negara-negara membutuhkan kesepakatan yang lebih luas daripada standar nasional masing-masing.

Silinder logam yang menjadi patokan dunia

Pada 1875, sejumlah negara menandatangani Konvensi Meter untuk mendorong keseragaman pengukuran. Pada 1889, standar massa internasional ditetapkan berupa silinder kecil dari campuran platinum dan iridium. Tinggi dan diameternya sekitar 39 milimeter, kurang lebih seukuran benda kecil yang dapat diletakkan di telapak tangan.

Silinder itu disebut Prototipe Kilogram Internasional dan disimpan di Biro Internasional untuk Ukuran dan Timbangan, dekat Paris. Selama lebih dari satu abad, massa silinder tersebut menjadi dasar definisi kilogram. Dengan kata lain, silinder itu tidak disebut satu kilogram karena terlebih dahulu ditimbang menggunakan standar lain; massanya ditetapkan sebagai satu kilogram.

Bagaimana standar itu sampai ke timbangan sehari-hari?

Negara-negara menggunakan prototipe internasional tersebut untuk membuat atau memeriksa standar nasional. Standar nasional kemudian menjadi acuan bagi lembaga kalibrasi (pemeriksaan dan penyesuaian ketepatan alat ukur), industri, dan berbagai timbangan yang digunakan dalam kegiatan ekonomi.

Hubungannya mirip rantai pemeriksaan. Timbangan di tempat usaha dapat diperiksa dengan anak timbangan yang sudah dikalibrasi; anak timbangan itu dapat ditelusuri ke standar nasional, yang pada masa itu berhubungan dengan prototipe internasional. Jadi, walaupun sebuah timbangan pasar tidak pernah dibawa ke Paris, hasilnya tetap dapat dikaitkan dengan standar yang sama.

Dahulu, definisi kilogram bertumpu pada satu benda fisik di satu lokasi. Banyak pengukuran di dunia pada akhirnya bergantung pada kestabilan benda kecil tersebut.

Mengapa benda itu tidak bisa menjadi patokan selamanya?

Ketika prototipe internasional dibandingkan dengan salinan-salinannya menggunakan peralatan yang sangat teliti, massa yang terukur ternyata tidak sepenuhnya sama. Perbedaannya hanya puluhan mikrogram (sepersejuta gram), jumlah yang tidak berarti saat membeli daging atau beras.

Namun, persoalan utamanya bukan besar-kecilnya selisih. Karena prototipe itu sendiri didefinisikan sebagai satu kilogram, para ilmuwan tidak memiliki cara langsung untuk memastikan apakah prototipe berubah, salinannya berubah, atau keduanya mengalami perubahan. Patokan tersebut menjadi seperti penggaris yang dipakai untuk menguji dirinya sendiri.

Benda yang disimpan dengan hati-hati tetap dapat berubah sangat sedikit. Debu bisa menempel di permukaannya, sementara proses pembersihan atau penanganan berpotensi menghilangkan bahan dalam jumlah amat kecil. Untuk pengukuran paling presisi, perubahan sekecil itu cukup penting untuk membuat standar yang bergantung pada benda tunggal menjadi kurang ideal.

Batas dari standar yang berupa benda

Jika sebuah patokan berubah, kita memerlukan patokan lain untuk mengetahui perubahan tersebut. Namun, patokan kedua juga harus diuji dengan patokan lain, dan begitu seterusnya. Karena itu, menggantungkan definisi satuan pada satu benda fisik memiliki keterbatasan yang sulit dihindari.

Para ilmuwan kemudian memilih pendekatan berbeda: kilogram tidak lagi didefinisikan oleh massa sebuah silinder, tetapi oleh nilai tetap dalam hukum alam yang dapat digunakan untuk membangun kembali satuan tersebut.

Dari ruang penyimpanan menuju hukum alam

Pada 2018, Konferensi Umum untuk Ukuran dan Timbangan menyetujui definisi kilogram yang baru. Definisi itu mulai berlaku pada 20 Mei 2019. Sejak saat itu, kilogram ditautkan pada konstanta Planck, yaitu konstanta dasar dalam fisika kuantum (ilmu yang mempelajari perilaku materi dan energi pada skala sangat kecil).

Nilai konstanta Planck ditetapkan secara tepat sebesar 6,62607015 × 10⁻³⁴ joule-detik. Joule-detik adalah satuan untuk menyatakan besaran dalam fisika. Angka yang sangat kecil itu tidak perlu dihafal dalam kehidupan sehari-hari; hal terpenting adalah nilainya telah ditetapkan tanpa ketidakpastian.

Sejak 2019, kilogram tidak lagi berarti “massa silinder tertentu di dekat Paris”. Definisinya berasal dari konstanta alam yang nilainya sama, di mana pun pengukuran dilakukan.

Perubahan ini tidak berarti setiap orang dapat langsung membuat standar kilogram hanya dengan mengetahui angka konstanta Planck. Pengukuran tetap membutuhkan instrumen presisi, tenaga ahli, dan prosedur yang ketat. Bedanya, acuan dasarnya tidak lagi bergantung pada kondisi sebuah benda tunggal yang harus dijaga di satu tempat.

Apa itu konstanta Planck?

Secara sederhana, konstanta Planck menghubungkan energi dengan frekuensi, yaitu banyaknya getaran atau siklus suatu gelombang dalam satu detik. Konstanta ini merupakan bagian penting dari teori fisika yang menjelaskan hubungan antara energi dan fenomena pada skala sangat kecil.

Dalam definisi kilogram yang baru, konstanta tersebut digunakan bersama definisi satuan lain untuk membangun ukuran massa. Jadi, bukan berarti massa sebuah benda dapat diketahui hanya dengan melihat nilai konstanta Planck. Para ilmuwan memerlukan eksperimen yang menghubungkan besaran-besaran fisik itu secara sangat teliti.

Menimbang dengan gaya listrik: cara kerja neraca Kibble

Salah satu alat untuk merealisasikan kilogram berdasarkan definisi baru adalah neraca Kibble. Alat ini membandingkan gaya gravitasi yang menarik sebuah benda ke bawah dengan gaya elektromagnetik (gaya yang dihasilkan oleh listrik dan magnet) yang dapat menahan atau mengangkat benda tersebut.

Bayangkan sebuah benda diletakkan pada neraca. Gravitasi menariknya ke bawah, sedangkan sistem kumparan dan medan magnet menghasilkan gaya ke arah berlawanan. Dengan mengukur hubungan antara gaya, gerakan, dan besaran listrik secara teliti, peneliti dapat menghubungkan massa benda dengan konstanta Planck.

Prinsipnya memang lebih rumit daripada menaruh benda pada timbangan dapur, tetapi gagasan dasarnya adalah membandingkan pengaruh gravitasi dengan besaran listrik yang dapat diukur secara presisi. Peralatan ini menggunakan pengukuran listrik dan mekanik untuk menghasilkan hubungan tersebut. Hasilnya memungkinkan kilogram diwujudkan melalui eksperimen, bukan dengan membandingkan benda dengan silinder logam yang menjadi satu-satunya patokan.

Alat presisi bukan timbangan rumah tangga

Neraca Kibble tidak dimaksudkan untuk menggantikan timbangan di pasar atau di rumah. Alat seperti ini digunakan di laboratorium metrologi (ilmu tentang pengukuran dan standar) untuk menetapkan atau memeriksa standar dengan tingkat ketelitian yang sangat tinggi.

Timbangan sehari-hari tetap bekerja dengan prinsip yang lebih praktis. Ketepatannya dijaga melalui proses kalibrasi dan perbandingan bertahap dengan standar yang lebih tinggi. Karena itu, perubahan definisi kilogram tidak mengharuskan masyarakat membeli timbangan baru.

Dari laboratorium nasional ke pasar dan pabrik

Standar yang dibuat di laboratorium tidak langsung berpindah begitu saja ke setiap timbangan. Pengukuran harus mengikuti rantai yang dapat diperiksa, dari standar paling presisi hingga alat ukur yang digunakan dalam kegiatan sehari-hari. Rantai hubungan itu disebut ketertelusuran pengukuran: hasil ukur dapat dilacak melalui tahapan yang terdokumentasi menuju standar yang diakui.

Korea Selatan, misalnya, memiliki lembaga pengukuran nasional yang mengembangkan dan menggunakan neraca Kibble serta berpartisipasi dalam perbandingan pengukuran internasional. Standar massa nasional kemudian digunakan dalam berbagai tahap pemeriksaan sebelum ketepatan alat ukur di industri dan layanan publik dinilai.

Hal ini tidak berarti neraca di toko tersambung langsung dengan neraca Kibble. Hubungannya lebih menyerupai rantai pemeriksaan: alat di lapangan dibandingkan dengan standar kerja, lalu standar tersebut ditautkan ke acuan yang lebih presisi. Setiap tahap membantu memastikan bahwa angka yang ditampilkan dapat dipercaya dan dibandingkan.

Standar massa berperan dalam banyak kegiatan, misalnya:

  • Perdagangan: pembeli dan penjual dapat menyepakati jumlah barang tanpa perlu membawa patokan sendiri.
  • Obat-obatan: jumlah bahan aktif dalam tablet atau larutan harus dibuat secara tepat agar dosisnya sesuai.
  • Semikonduktor: bahan dan komponen perlu dikendalikan dengan teliti untuk menjaga mutu produksi.
  • Emas dan logam berharga: perbedaan massa yang kecil dapat berdampak pada nilai transaksi.
  • Penelitian ilmiah: hasil eksperimen dari laboratorium berbeda dapat dibandingkan jika satuan yang digunakan sama.

Standar membuat kerja sama lintas negara lebih mudah

Standar pengukuran sering terdengar seperti aturan teknis yang jauh dari kehidupan sehari-hari. Padahal, banyak hal yang kita gunakan bergantung pada kesepakatan bersama. Kontainer dapat dipindahkan dari kapal ke truk karena ukuran dan cara penanganannya mengikuti standar. Baut dari satu produsen dapat dipasang pada mesin dari produsen lain karena ukuran ulirnya mengikuti aturan yang sama.

Dalam perdagangan, standar mengurangi kebutuhan untuk terus-menerus memeriksa apakah ukuran di satu tempat berbeda dari ukuran di tempat lain. Jika setiap pihak memakai satuan sendiri, biaya untuk memeriksa, mengubah, dan menyelesaikan perselisihan akan meningkat. Standar membantu orang bekerja sama, bukan membuat semua produk harus identik.

Kepercayaan pada angka juga menjadi dasar kontrak. Harga boleh berbeda, kualitas barang boleh berbeda, dan pembeli boleh bernegosiasi. Namun, kedua pihak tetap perlu sepakat tentang jumlah barang yang dijual. Tanpa ukuran yang dapat dipercaya, angka pada tagihan atau label kehilangan sebagian besar maknanya.

Pasar tidak hanya bergerak karena uang. Pasar juga bergantung pada keyakinan bahwa angka yang digunakan untuk menghitung jumlah barang memiliki arti yang sama bagi semua pihak.

Apa artinya bagi masa depan pengukuran?

Mengganti patokan berbentuk benda dengan konstanta alam membuat definisi satuan lebih stabil secara mendasar. Konstanta Planck tidak berkarat, tidak terkena debu, dan tidak perlu disimpan dalam sebuah brankas. Laboratorium dengan teknologi memadai dapat menggunakan hukum alam yang sama untuk mewujudkan kilogram.

Namun, akses pada definisi yang sama tidak otomatis berarti semua tempat memiliki kemampuan pengukuran yang sama. Neraca Kibble dan peralatan terkait memerlukan biaya, fasilitas, serta keahlian tinggi. Karena itu, kerja sama internasional, perbandingan antarlaboratorium, dan peningkatan kemampuan teknis tetap penting agar hasil pengukuran dari berbagai negara benar-benar sejalan.

Dalam jangka panjang, standar berbasis konstanta juga memberi ruang bagi peningkatan teknologi pengukuran. Jika metode eksperimen menjadi lebih baik, peneliti dapat mengukur massa dengan ketelitian lebih tinggi tanpa harus mengubah definisi dasar kilogram. Definisinya tetap, sementara cara mewujudkannya dapat terus disempurnakan.

Kesepakatan yang menopang kehidupan sehari-hari

Satu kilogram beras di Seoul dan satu kilogram beras di Paris sama bukan karena alam secara otomatis menyamakan semua timbangan. Kesamaan itu lahir dari sejarah panjang: masyarakat menciptakan satuan, menyepakati standar, membandingkannya, lalu memperbarui cara menetapkannya ketika keterbatasan muncul.

Kini, dasar kilogram berada pada hukum alam, bukan pada satu benda yang harus dijaga di dekat Paris. Kita mungkin tidak pernah melihat konstanta Planck atau neraca Kibble, tetapi hasil dari sistem itu hadir ketika obat ditakar, bahan industri diproduksi, dan barang dijual berdasarkan berat.

Harga suatu barang dapat dinegosiasikan. Jumlahnya tidak seharusnya berubah hanya karena pembeli dan penjual berada di negara yang berbeda. Agar perdagangan dan ilmu pengetahuan berjalan, satu kilogram harus tetap satu kilogram di mana pun orang mengukurnya.