Memperingati Hari Metrologi Dunia: Evolusi Sistem Satuan Internasional dan Dampaknya

Hari Metrologi Dunia

Bagi sebagian besar Rakyat Indonesia, tentunya sudah tidak asing lagi dengan peringatan Hari Kebangkitan Nasional setiap tanggal 20 Mei. Namun, tahukah Anda, pada tanggal yang sama, Rakyat Indonesia sebagai anggota Masyarakat Internasional di Bureau Internationale des Poids et Mesures (BIPM) juga memperingati Hari Metrologi Dunia (World Metrology Day). Hari Metrologi Dunia adalah hari yang ditetapkan untuk memperingati penandatanganan sebuah perjanjian diplomatik yang dikenal sebagai Konvensi Meter (la Convention du Metre), diselenggarakan di Paris pada tanggal 20 Mei 1875 [1]. Konvensi Meter adalah konvensi yang bertujuan untuk menyeragamkan satuan-satuan ukuran dan timbangan di dunia.

Metrologi berbeda dengan Meteorologi: Metrologi adalah ilmu pengetahuan dan aktivitas yang terkait dengan pengukuran. Sedangkan Meteorologi adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari terkait atmosfer bumi untuk meramalkan keadaan cuaca.

Sejarah dan Pentingnya Metrologi

Metrologi memegang peran yang sangat penting dalam peradaban manusia. Metrologi sudah digunakan sejak peradaban Mesir kuno ketika Fir’aun membangun Piramida. Piramida peninggalan Fir’aun yang diperkirakan dibangun pada tahun 2560 SM, telah diakui oleh UNESCO sebagai salah satu keajaiban dunia karena masih mampu berdiri kokoh hingga sekarang. Rahasia dibalik kemampuan Piramida tersebut dapat berdiri kokoh adalah penerapan ilmu Metrologi dalam proses pembangunannya. Batuan-batuan seberat hampir 15 ton disusun dengan sangat rapi hingga mencapai akurasi 0,1 mm [2, 3]. Agar bisa mendapat tingkat akurasi tersebut, Fir’aun memperkenalkan Sistem Standar Panjang Cubit (lihat Gambar 1) yang digunakan sebagai penggaris untuk mengukur benda-benda yang diperlukan dalam membuat Piramida.

Gambar 1. Piramida terbesar kedua di Mesir (Piramida Khafre) dan nilai satuan cubit yang diperkenalkan oleh Fir’aun [2]

Standar Panjang Cubit merupakan standar panjang tertua, dinyatakan/didefinisikan sebagai panjang lengan Fir’aun mulai dari bahu hingga ujung jari tengah yang diluruskan [4]. Hasil pengukuran Standar Panjang Cubit yang asli ditatah/dipahat pada granit hitam. Standar ini kemudian diperbanyak dan didistribusikan kepada para arsitek kerajaan yang bertanggung jawab atas pembuatan Piramida. Standar yang diperbanyak ini setiap bulan purnama harus dicek (dikalibrasi) terhadap standar yang asli. Fir’aun memiliki aturan yang sangat ketat untuk menjaga agar para arsitek selalu mengalibrasikan standar replika yang mereka miliki. Fir’aun menyatakan bahwa: “Barang siapa lalai atau lupa mengalibrasi standar satuan panjang setiap bulan purnama, maka akan dijatuhi hukuman mati“. Hal ini menunjukkan bahwa sejak zaman dahulu manusia telah sadar akan pentingnya Metrologi.

Evolusi Standar Ukur

Sistem standar ukur senantiasa mengalami perubahan (berevolusi) dari waktu ke waktu. Penggunaan bagian tubuh untuk menetapkan nilai Standar Ukur tentunya memberikan variasi hasil ukur yang sangat besar karena setiap orang memiliki postur tubuh yang berbeda-beda. Selain itu, kesepakatan terkait keseragaman definisi Standar Ukur yang awalnya hanya terkonsentrasi di masing-masing negara, berkembang menjadi kebutuhan antar-negara (internasional). Sehingga, sistem Internasional untuk Standar Ukur disepakati harus dibuat, berikut adalah ilustrasi video yang menggambarkan keadaan yang terjadi jika di dunia tidak ada keseragaman satuan-satuan ukur.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=YYrnjEo90fs[/embedyt]

Video tersebut sangat jelas menunjukkan kekacauan yang akan terjadi jika di dunia tidak dilakukan penyeragaman satuan-satuan ukur. Agar kebutuhan keseragaman untuk satuan ukur dapat dipenuhi, pada tanggal 22 Juni 1799, Prancis memperkenalkan Sistem Metrik dengan menetapkan dua buah standar yang mewakili nilai untuk satu meter dan satu kilogram seperti ditunjukkan di Gambar 2. Sistem Metrik ini kemudian dikenal sebagai nenek moyangnya Sistem Internasional Satuan (SI).

Gambar 2. Prototipe Standar Ukur Massa (kiri) dan Panjang (kanan) yang terbuat dari bahan platina [6]

Penyeragaman satuan ukur dengan menggunakan prototipe berupa benda/barang, dirasa masih memiliki kekurangan, yaitu nilainya yang masih bisa berubah-ubah seiring waktu. Contohnya adalah prototipe satu kilogram yang dapat berubah hingga 50 µg dalam waktu sekitar 100 tahun [5]. Untuk mengatasi hal tersebut, nilai-nilai standar ukur diarahkan ke suatu nilai yang perubahannya sangat kecil. Contohnya adalah pada Standar Ukur Panjang, alih-alih menggunakan prototipe batang logam yang terbuat dari bahan platina, standar panjang yang dipakai mulai tahun 1983 hingga sekarang adalah didasarkan pada jarak tempuh sinar laser [4]. Sehingga, apabila batang logam itu hilang atau musnah, Standar Ukur Panjang masih dapat dibuat di laboratorium manapun karena kecepatan cahaya dalam vakum adalah sama di manapun.

“Satu meter adalah panjang lintasan yang dilalui oleh cahaya pada ruang hampa selama interval waktu 1/299 792 458 detik.”-BIPM, 1983

Konstanta Alam Sebagai Dasar untuk Mendefinisikan Satuan Ukur

Peringatan Hari Metrologi Dunia memiliki tema-tema yang berbeda pada setiap tahun. Untuk tahun 2018, tema Hari Metrologi Dunia yang diangkat adalah “Evolusi Konstan dari Sistem Satuan Internasional (SI)” [7]. Tema ini dipilih karena pada bulan November 2018 akan dilakukan perubahan yang signifikan terhadap Sistem SI. Definisi-definisi satuan ukur akan diperbaharui lagi (diredefinisi), mengikuti kebutuhan manusia untuk menciptakan definisi standar ukur internasional yang nilainya akurat, presisi, dan abadi (kekal).

Hingga saat ini, beberapa besaran ukur yang masih menggunakan Standar Ukur berupa prototipe-prototipe benda atau karakteristik benda adalah besaran massa (kilogram), suhu (kelvin), listrik (ampere), dan jumlah zat (mol). Keempat besaran ini akan didefinisikan menggunakan konstanta-konstanta alam yang nilainya abadi yaitu konstanta Planck (h),  konstanta muatan atom (e), konstanta Boltzmann (k_B), dan konstanta Avogadro (N_A). Sebagai contoh, satu kilogram bukan lagi dinyatakan dari massa dari prototipe Standar Ukur Massa (Gambar 2), namun akan dinyatakan melalui konstanta Planck yang besarnya ditetapkan sebesar 6,626 070 040 x 10^-34 (nilai tepatnya untuk konstanta ini masih bisa berubah hingga definisi baru satu kilogram telah ditetapkan oleh BIPM) [5]. Konstanta Planck memiliki satuan kg•m²•s^-1, sehingga nilai satu kilogram akan mudah diperoleh karena definisi terkait meter dan waktu (second) sudah ada terlebih dahulu.

Untuk dapat memperoleh definisi-definisi besaran ukur yang akurat melalui konstanta alam, maka diperlukan penentuan konstanta-konstanta alam dengan nilai yang sangat akurat juga. Peneliti-peneliti metrologi di negara-negara maju sedang berusaha menentukan nilai-nilai konstanta alam ini seakurat mungkin [8-11]. Keputusan terkait nilai-nilai konstanta alam beserta deskripsi besaran ukur (mise en pratique) baru akan bisa diketahui pada bulan November 2018 nanti.

Proyek Redefinisi Selanjutnya

Selain besaran-besaran yang telah disebutkan sebelumnya, besaran waktu juga akan diredefinisi walaupun belum bisa dilakukan dalam waktu dekat. Sejak tahun 1967 hingga saat ini, satu detik dinyatakan sebagai 9.192.631.770 kali periode siklus atom cesium 133 [12]. Dalam 200 juta tahun, jam atom cesium ini bergeser nilainya sebesar satu detik, hal ini masih dirasa belum sempurna. Menurut peneliti dari  the National Institute of Standards and Technology (NIST), jam optik yang memanfaatkan laser (cahaya tampak) dari atom-atom ytterbium dirasa akan bisa menggantikan jam atom cesium [13]. Jam optik ini bisa berdetik 100.000 kali lebih cepat dibanding jam atom cesium, tentunya akan memberikan akurasi yang jauh lebih baik. Walaupun, masih ditemukan kelemahan dalam proses pendinginan atom-atom pada jam optik tersebut. Selain itu, masih terjadi banyak perdebatan terkait jam optik tipe apa yang lebih baik (apakah tipe ion tunggal atau kisi-kisi atom netral), sehingga paling cepat redefinisi besaran waktu harus menunggu hingga sekitar awal tahun 2030.

Dampak Bagi Indonesia

Aktivitas dan komunitas metrologi pada suatu bangsa setidaknya dapat dibagi menjadi tiga kelompok [14], yaitu:

a. Metrologi ilmiah (scientific metrology): aktivitas/komunitas yang berhubungan dengan pemeliharaan, pengembangan, dan pendiseminasian standar-standar pengukuran tertinggi di suatu negara

b. Metrologi legal (legal metrology): aktivitas/komunitas yang berhubungan berdampak pada transaksi ekonomi, kesehatan, dan keselamatan yang diatur oleh undang-undang (hukum)

c. Metrologi industri (industrial metrology): aktivitas/komunitas yang bertujuan untuk memastikan bahwa sistem pengukuran dan alat-alat ukur di industri berfungsi dengan akurasi yang memadai, baik dalam proses persiapan, produksi maupun pengujiannya

Bagi negara berkembang seperti Indonesia, redefinisi satuan SI kemungkinan hanya akan sedikit terasa dampaknya, utamanya pada komunitas di metrologi ilmiah. Misalnya untuk besaran suhu, walaupun definisi suhu satu kelvin akan diubah: yang awalnya dinyatakan sebagai 1/273.16 dari suhu termodinamika titik tripel air, menjadi energi yang dimiliki oleh atom/molekul pada suhu tertentu dengan menetapkan nilai konstanta Boltzmann [15]. Akan tetapi karena termometer yang paling akurat, yang ada di lembaga metrologi ilmiah, akan tetap dikalibrasi mengacu ke prosedur di International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) [16], maka tidak akan terjadi perubahan signifikan terhadap hasil yang diperoleh.

Pengembangan standar-standar ukur suatu bangsa tentunya menyesuakan kebutuhan-kebutuhan yang ada di negara tersebut. Tingkat akurasi pengukuran suhu yang dibutuhkan di Indonesia belum sampai level setinggi di negara-negara maju. Selain itu, termometer-termometer paling akurat yang ada di dunia (termometer akustik dan termometer Constant Volume Gas Thermometer (CVGT)) belum praktis dalam penggunaanya. Bayangkan saja untuk dapat membangun sistemnya diperlukan waktu bertahun-tahun dan untuk mendapatkan satu nilai suhu standar diperlukan waktu berminggu-minggu [15]. Alat ini tentunya tidak efektif jika digunakan untuk standar ukur dan untuk mengkalibrasi peralatan milik industri.

Gambar 3. Ilustrasi peti kemas berisi produk ekspor [17]

Saat ini, Lembaga Metrologi Ilmiah di Indonesia sedang banyak terlibat pada kegiatan-kegiatan yang dapat meningkatkan jumlah pengakuan internasional (baca juga: peningkatan jumlah CMC Indonesia), untuk meningkatkan perekonomian bangsa. Setelah banyak kemampuan yang diakui secara internasional, maka Lembaga Metrologi Ilmiah di Indonesia dapat bergerak meningkatkan kemampuannya menuju tingkat akurasi yang lebih tinggi. Redefinisi SI tetap penting untuk dilakukan karena tujuan utamanya adalah untuk membangun fondasi metrologi yang kuat, yang boleh jadi akan sangat dibutuhkan di masa depan.

Referensi:

1. BIPM. “The Metre Convention“. bipm.org (https://www.bipm.org/en/worldwide-metrology/metre-convention/) diakses pada 17 Mei 2018
2. Syam, W.P., 2018. “Metrologi manufaktur: Pengukuran geometri dan analisis ketidakpastian”.
3. David, A.R. and David, R., 2002. “The pyramid builders of ancient Egypt: A modern investigation of Pharaoh’s workforce”. Routledge.
4. NPL. “History of Length Measurement“. npl.co.uk (http://www.npl.co.uk/educate-explore/factsheets/history-of-length-measurement/) diakses pada 17 Mei 2018
5. Taylor, B.N. and Mohr, P.J., 1999. “On the redefinition of the kilogram“. Metrologia, 36(1), p.63.
6. Teslawire. “The Metric System: officially called the International System of Units (SI)“. teslawire.org (http://www.teslawire.org/resources/metric-system) diakses pada 17 Mei 2018
7. BIPM and OIML. “Press Release: World Metrology Day – 20 May 2018”. worldmetrologyday.org (http://www.worldmetrologyday.org/press_release.html) diakses tanggal 17 Mei 2018
8. D. Haddad, F. Seifert, L.S Chao, S. Li, D.B. Newell, J.R. Pratt, C. Williams, and S. Schlamminger. “A precise instrument to determine the Planck constant, and the future kilogram”. Review of Scientific Instruments. June 21, 2016. DOI: 10.1063/1.4953825
9. Janssen, T.J.B.M., Giblin, S.P., See, P., Fletcher, J.D. and Kataoka, M., 2014. Redefinition of the Ampere. Measurement and Control, 47(10), pp.315-322.
10. Flowers-Jacobs, N.E., Pollarolo, A., Coakley, K.J., Fox, A.E., Rogalla, H., Tew, W.L. and Benz, S.P., 2017. “A Boltzmann constant determination based on Johnson noise thermometry”. Metrologia, 54(5), p.730.
11. Marquardt, R., Meija, J., Mester, Z., Towns, M., Weir, R., Davis, R. and Stohner, J., 2018. Definition of the mole (IUPAC Recommendation 2017). Pure and Applied Chemistry, 90(1), pp.175-180.
12. BIPM. “Unit of Time (Second)“. (https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure/second.html) diakses 18 Mei 2018
13. Cartlidge, E. “With Better Atomic Clocks, Scienticts Prepare to Redefine the Second“. (http://www.sciencemag.org/news/2018/03/better-atomic-clocks-scientists-prepare-redefine-second) diakses 18 Mei 2018
14. Schaeffer Precision Alignment., 2018. “Three Different Types of Metrology“. (http://www.schaefferprecision.com/blog/three-different-types-of-metrology) diakses 18 Mei 2018
15. de Podesta, M., 2016. “The impact of the kelvin redefinition and recent primary thermometry on temperature measurements for meteorology and climatology.“
16. Preston-Thomas, H., 1990. “The international temperature scale of 1990 (ITS-90)“. metrologia, 27(1), p.3.
17. https://pixabay.com/id/pelabuhan-kapal-peti-kemas-hamburg-688156