Zatvoren u trezoru koji zahtijeva otvaranje tri ključa, u gradu Sèvres tik na jugozapadu Pariza ima kilogram. Zapravo, to je The Kilogram, međunarodni prototip kilograma (IPK), kilogram prema kojem svi ostali kilogrami moraju poduzeti svoju mjeru, Le Grand K. Ovaj cilindar od legure platine-iridij nalazi se pod tri zaštitna staklena zvona, u okruženju pod utjecajem temperature i vlage, u sefu, zajedno s šest službenih primjeraka, u podzemnom svodu Sèvres.
"Ako biste je bacili, ostao bi kilogram, ali masa cijelog svijeta bi se promijenila", kaže Stephan Schlamminger, fizičar s Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) u Gaithersburgu, Maryland.
IPK iz svog trezora izlazi tek svakih 40 godina, kada se ingotov veličine loptice za golf, točno jedan kilogram od 1889. godine, koristi za kalibraciju primjeraka koji se dijele sa zemljama širom svijeta. Ali postoji problem. U trezoru s IPK-om je šest timova ili "svjedoka" - službene kopije. Tijekom godina, o čemu svjedoče rijetki slučajevi mjerenja Le Grand K i njegovih svjedoka, masa IPK-a je „naglo pala“.
Međunarodni prototip kilograma (IPK). (Fotografija ljubaznošću BIPM-a) Većina svjedoka sada teži nešto više - to je mikrogram ili milijun grama - od IPK-a (iako su mnoge kopije u početku bile masovnije). Mogli biste reći da IPK gubi masu, samo to ne možete reći, jer IPK nepromjenjivo i nepokolebljivo košta jedan kilogram . Osim toga, fizičari ni ne znaju da li IPK dugoročno gubi masu ili dobija masu, samo što se polako slijeva zbog neprimjerenih količina materijala koji se skupljaju iz zraka, ili se utrljava tijekom vaganja, ili razmazuje na srebrnastu površinu IPK-a tijekom jedne od njegovih pažljivih kupki.
Kao što možete zamisliti, ovaj minimalan odlazak uzrokuje znanstvenicima mnogo glavobolje - a da ne spominjemo industrije koje se oslanjaju na mala i precizna mjerenja mase, poput farmaceutskih kompanija.
"Trenutno je kilogram definiran u odnosu na masu određene stvari", kaže Ian Robinson iz Nacionalne fizikalne laboratorije (NPL) u južnom Londonu. "A ako je ta stvar uništena ili promijenjena ili bilo što drugo, to je nespretno."
Jedna od NIST-ovih platina-iridijevih primjeraka IPK-a, K92, s kilogramima mase od nehrđajućeg čelika u pozadini. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Srećom, svjetski metrolozi imaju rješenje: redefinirati kilogram u smislu prirodne, univerzalne konstante. Većina jedinica u Međunarodnom sustavu jedinica (SI) već je definirana prema univerzalnim konstantama, poput mjerača, koji je službeno dužina prijeđene brzinom svjetlosti u vakuumu u 1/299.792.458. Naravno, ova se definicija oslanja na drugo, što je definirano kao trajanje 9, 192, 631, 770 razdoblja specifične frekvencije elektromagnetskog zračenja (mikrovalne pećnice u ovom slučaju) koje uzrokuje prijelaz vanjskog elektrona cezijevog atoma 133 (prelazak s kvantnog mjerenje "spin up" na "spin down", ili obrnuto).
Ali kilogram, zadnja preostala jedinica definirana artefaktom, tvrdoglavo se protivio redefiniranju - do sada. 16. studenoga, na 26. sastanku Opće konferencije o težini i mjerama, delegati iz 60 država članica okupit će se u Sèvresu kako bi glasali o redefiniranju kilograma u skladu s Planckovom konstantom - brojem koji povezuje frekvenciju svjetlosnog vala s energije fotona u tom valu. A prema Richardu Davisu, fizičaru Međunarodnog biroa za utege i mjere (BIPM), „očekuju značajnu većinu“.
(AŽURIRANJE: 20. svibnja 2019. godine službeno su stupile na snagu promjene Međunarodnog sustava jedinica, uključujući nove definicije kilograma, ampera, kelvina i madeža.)
Max Planck i Albert Einstein
1879. godine IPK je u Londonu bacila tvrtka plemenitih metala Johnson Matthey, 20-godišnji Max Planck branio je tezu O drugom zakonu termodinamike i rodio se Albert Einstein. Iako dvojica znanstvenika to nisu znali tijekom svojih životnih vijekova, njihov zajednički rad na osnovnoj fizici gravitacije i kvantnoj mehanici trebao bi postaviti temelje za definiciju kilograma u 21. stoljeću.
Pa što je Planckova konstanta? "Na temeljnoj razini, teško je reći", kaže Davis.
Planckova konstanta je vrlo mali broj: 6, 62607015 x 10 -34, tačnije, što će službeno biti definirano na sastanku 16. studenog. 1900. godine, Max Planck je izračunao broj za uklapanje modela svjetlosti koji dolaze od zvijezda, uspoređujući energiju i temperaturu zvijezda s njihovim spektrima elektromagnetskog zračenja (u zajednici poznat kao zračenje crnih tijela). Tada su eksperimentalni podaci sugerirali da energija ne teče slobodno ni u jednoj vrijednosti, već se sadrži u snopovima ili kvantima - po kojima kvantna mehanika nosi ime - i Planck je trebao izračunati vrijednost tih snopova kako bi odgovarao njegovim modelima zračenja crnih tijela.
Pet nobelovca, s lijeva na desno: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan i Max von Laue, okupili su se na večeri koju je 1931. priredio von Laue. (Public Domain) Pet godina kasnije, Albert Einstein objavio je svoju teoriju posebne relativnosti, koja bi se trebala izraziti kao poznata jednadžba E = mc 2 (energija je jednaka masi koja je veća od kvadratne brzine svjetlosti, epifanija koja je energija temeljno vezana u svim materija svemira). Također je izračunao teorijsku vrijednost jednog, temeljnog kvantnog elektromagnetskog energija - danas poznatog kao foton - koji je rezultirao odnosom Planck-Einstein, E = h v . Jednadžba kaže da je energija fotona (E) jednaka Planckovoj konstanti (h) puta frekvenciji elektromagnetskog zračenja ( v, što je grčki simbol nu, a ne "v").
„Znate da imate energiju fotona koja je h v, ali isto tako znate da imate energiju mase, koja je mc 2 . [Dakle], E = h v = mc 2 . Tamo možete vidjeti kako možete dobiti masu od h [Planckova konstanta], v [frekvencija valova] i c [brzina svjetlosti] ", kaže David Newell, fizičar s NIST-a.
Ali ovo nije jedino mjesto na kojem se prikazuje Planckova konstanta. Broj je potreban da se opiše fotoelektrični učinak na kojem se baziraju solarne ćelije. Koristi se i u Niels Bohrovom modelu atoma, a pojavljuje se čak i u Heisenbergovom principu neizvjesnosti.
"To je kao kad bi rekao, pa, što je s Pi?", Kaže Davis. "Što je Pi? Pa, to je opseg kruga podijeljen s promjerom kruga. Ali onda se Pi pokazuje svugdje u matematici. Posvuda je. "
Ključ koji povezuje Planckovu konstantu s kilogramom je njegova jedinica, joule-second ili J · s. Konstanta dobiva ovu jedinstvenu jedinicu jer se energija mjeri u džulima, a frekvencija se mjeri u Hertz (Hz), ili u ciklusima u sekundi. Joule je jednak kilogramu množenom u kvadrat kvadratnih metara podijeljen s kvadratom sekundi (kg · m 2 / s 2 ), pa se uz nekoliko pametnih mjerenja i izračuna može doći do kilograma.
Ali prije nego što uvjerite svijet da promijeni definiciju standardne jedinice mase, vaša će mjerenja biti najbolja ikad napravljena u povijesti znanosti. I kako Newell kaže, "procijeniti nešto apsolutno je teško."
Mjera za mjeru
Često uzimamo zdravo za gotovo da je sekunda sekunda ili metar metar. Ali u većini ljudske povijesti, takve mjere vremena, duljine i mase bile su prilično proizvoljne, definirane prema ćudljivosti lokalnih običaja ili vladara. Jedna od prvih odredbi da se nacionalna mjerenja moraju normirati potječe iz Magna Carta 1215. godine koja glasi:
"Neka u cijelom našem kraljevstvu postoji jedna mjera za vino, i jedna za aleju, i jedna za kukuruz, naime" londonska četvrt "; i jedna širina za krpe koje su obojene, roze ili halberget, naime dvije školjke unutar selvegesa. Neka bude isto s utezima kao i s mjerama. "
Ali nakon prosvjetiteljstva, kako su znanstvenici počeli razdvajati fizička ograničenja svemira, postalo je očito da različiti mjere mjere predstavljaju ozbiljnu prepreku za napredak vrste. Znanstvenici su se proširili diljem svijeta u 18. i 19. stoljeću, mjereći sve, od preciznog oblika Zemlje do udaljenosti do sunca - i svaki put kad bi se njemački lahtar (oko dva metra, ovisno o regiji) morao uspoređivati s engleskim dvorištu (koje je također variralo većinu svog postojanja), neizvjesnosti i neispravnosti obiluju.
Kopija standardnog prvog metra, zapečaćena u temelju zgrade u 36 rue de Vaugirard, Pariz. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Francuzi su napokon imali revoluciju - ne samo politike, već i mjera. Kako se 18. stoljeće bliži kraju, procjenjuje se da je Kraljevina Francuska imala oko četvrt milijuna različitih jedinica, što ih je bilo nemoguće pratiti. Nazivana Nacionalna konstitutivna skupština, formirana tijekom početka Francuske revolucije, Francuska akademija znanosti postavila je uspostavu nove jedinice duljine koja bi postala službena mjera za zemlju: brojilo, definirano kao desetmilijun udaljenosti od Sjevernog pola do Ekvatora.
Anketna ekspedicija koju su predvodili francuski matematičari i astronomi Jean Baptiste Joseph Delambre i Pierre Méchain odredila je udaljenost dijela tog dijela, koji se protezao od Dunkirka do Barcelone, kako bi izračunali novi metar. Anketna mjerenja završena su 1798. godine, a novi standard ubrzo je usvojen i u Francuskoj.
Mjerač je predstavljao osnovnu mjernu jedinicu, definirajući litru (1.000 kubičnih centimetara) pa čak i kilogram (masa jedne litre vode). Do 1875. svijet je bio spreman prihvatiti metrički sustav, a Meterska konvencija te godine vidjela je da su predstavnici 17 zemalja potpisali Meterski ugovor, stvorivši Međunarodni biro za utege i mjere i predviđajući nove standarde mase i dužine. lijevano u leguru platine i iridija, definirajući mjerač i kilogram za svijet.
No kako je val znanstvenika 20. stoljeća, poput Plancka i Einsteina, počeo lupati i prodirući u newtonovu strukturu fizike, otkrivajući nove zakone među prostranstvom kozmosa i osnovama atoma, sustav mjera trebao je biti ažuriran u skladu s tim, Do 1960. godine objavljen je Međunarodni sustav jedinica (SI), a zemlje širom svijeta osnovale su mjeriteljske institucije za kontinuirano usavršavanje službenih definicija naših sedam osnovnih jedinica mjere: mjerač (dužina), kilogram (masa), drugi put (vrijeme) ), amper (električna struja), kelvin (temperatura), mol (količina tvari) i kandela (svjetlinu).
Avogadro sfera čistog silikona-28 atoma. Mjereći volumen sfere i volumen jednog atoma silicijuma-28, meteorolozi mogu izmjeriti masu jednog atoma u sferi, pružajući metodu za izračun broja atoma u molu, zvanu Avogadrov broj, koji može koristi se za izračunavanje Planckove konstante. (Fotografija ljubaznošću BIPM-a) Iz tih osnovnih jedinica mogu se izračunati sve ostale jedinice. Brzina se mjeri u metrima u sekundi koja se može pretvoriti u mph i druge brzine; volt se mjeri u smislu ampera struje i otpora u ohima; a definicija dvorišta sada je proporcionalna 0, 9144 metra.
Danas, kao i tijekom 18. stoljeća, pitanje usavršavanja takvih mjerenja prednjači u znanstvenim sposobnostima. Iako redefinicija kilograma vjerojatno neće promijeniti vaš svakodnevni život, konačni učinci definiranja točnijeg sustava mjere često su rašireni i duboki.
Uzmimo, na primjer, drugi. Od 1967. godine definicija sekunde temelji se na frekvenciji mikrovalnog lasera, a bez ove preciznosti GPS tehnologija bi bila nemoguća. Svaki GPS satelit ima atomski sat, kritičan za ispravljanje činjenice da vrijeme prolazi beskonačno, ali mjerljivo sporije na našim satelitima dok kruže oko Zemlje velikom brzinom - učinak predviđen Einsteinovom teorijom relativnosti. Bez nove definicije, ne bismo mogli ispraviti ove sitne djeliće sekunde, a kako su rasli, GPS mjerenja odmicala bi se dalje i dalje od staze, čineći sve od Google Maps do municije vođene GPS-om ništa osim znanstvene fantastike.
Odnos drugog i GPS-a otkriva temeljno spajanje mjeriteljstva i znanosti: unapređenje istraživanja zahtijeva i omogućava nove mjerne standarde, a ti novi standardi mjere zauzvrat omogućuju naprednija istraživanja. Gdje će ovaj ciklus u konačnici odvesti naše vrste, nije poznato, ali nakon smrti brojila i napuštanja drugog kako je definirano u djeliću dana, jedno je jasno: IPK je sljedeći do giljotine.
Kibble ravnoteža
Vaga NIST-4 Kibble kojom upravlja Nacionalni institut za standarde i tehnologiju. Za razliku od ranijih Kibble vaga, NIST-4 koristi kotačić za ravnotežu koji djeluje poput remenice, a ne kao greda. Bilanca je mjerila Planckovu konstantu unutar nesigurnosti od 13 dijelova po milijardi. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Fizičari već desetljećima znaju da se kilogram može definirati u smislu Planckove konstante, ali tek je nedavno metrologija dovoljno napredovala da mjeri broj s točnom preciznošću da bi svijet prihvatio novu definiciju. Do 2005. godine, grupa znanstvenika iz NIST-a, NPL-a i BIPM-a, koju Newell naziva "banda od pet", počela je pokretati to pitanje. Njihov rad o ovoj temi naslovljen je, Redefinicija kilograma: odluka čije je vrijeme došlo .
"Smatram to prekretnicom", kaže Newell. "Bilo je vrlo provokativno - nerviralo je ljude."
Jedna od ključnih tehnologija za mjerenje Planckove konstante identificirana u radu je vatna ravnoteža, koju je Bryan Kibble prvi put zamislio u NPL-u 1975. (Nakon njegove smrti 2016., vatni vag preimenovan je u ravnotežu Kibble u čast Bryana Kibblea.)
Kibble ravnoteža je, na temeljnoj razini, evolucija tehnologije koja datira više od 4.000 godina: vage ravnoteže. No, umjesto da vaga objekt prema drugom da bi ih usporedio, Kibble vaga fizičarima omogućuje mjerenje mase u odnosu na količinu elektromagnetske sile koja je potrebna da je podigne.
"Ravnoteža djeluje tako da prođe struja kroz zavojnicu u jakom magnetskom polju, a to stvara silu, a tu silu možete upotrijebiti za uravnoteženje mase mase", kaže Ian Robinson iz NPL-a, koji je radio s Bryanom Kibbleom na prve vage su od 1976. nadalje.
Vaga djeluje u dva načina. Prvi način vaganja ili sile uravnotežuje masu s jednakom elektromagnetskom silom. Drugi način rada, brzina ili kalibracija, koristi motor za pomicanje zavojnice između magneta dok masa nije na ravnoteži, stvarajući električni napon koji vam daje snagu magnetskog polja izraženu kao mjerilo električne sile. Kao rezultat toga, sila mase u načinu vaganja jednaka je električnoj sili generiranoj u načinu brzine.
Električna sila tada se može izračunati kao funkcija Planckove konstante zahvaljujući radu dvojice nobelovskih fizičara, Brajana Josephsona i Klausa von Klitzinga. Josephson je 1962. opisao kvantni električni učinak povezan s naponom, a von Klitzing je otkrio kvantni učinak otpora 1980. Dva otkrića omogućavaju izračunavanje električne sile Kibble-ove ravnoteže u smislu kvantnih mjerenja (koristeći Planckovu konstantu), što zauzvrat odgovara masi kilograma.
Osim Kibble ravnoteže, "banda od pet" papira govori o još jednom načinu izračunavanja Planckove konstante - stvaranjem sfera gotovo čistog atoma silicijuma-28, najsavršenije okrugle predmete koje je čovječanstvo ikad stvorilo. Volumen i masa pojedinačnog atoma u sferi mogu se mjeriti, što omogućava metrolozima i kemičarima da pročiste Avogadro konstantu (broj entiteta je jedan mol), a iz Avogadrovog broja može se izračunati Planckov pomoću već poznatih jednadžbi.
"Potrebna su vam dva načina da to učinite kako biste stekli uvjerenje da u jednoj metodi nema skrivenog problema", kaže Robinson.
Bijela ploča na NIST-u objašnjava kako vaga Kibble može izjednačiti mehaničku mjeru (težina mase kilograma) s električnom mjerom (sila električne struje potrebna za držanje kilograma, izražena kao funkcija Planckove konstante). (Jay Bennett) Da bi se redefinirao kilogram, za promjenu koja će se dogoditi 20. svibnja 2019., Opća konferencija o težini i mjerama zahtijevala je najmanje tri eksperimenta za izračun Planckove konstante na nesigurnost od najviše 50 dijelova po milijardi, jedan od koji mora izračunati vrijednost unutar nesigurnosti od 20 dijelova na milijardu. Napori u međunarodnoj silikonskoj sferi postali su dovoljno precizni da se postigne nesigurnost od samo 10 dijelova na milijardu, a četiri mjerenja Kibble ravnoteže također su proizvela vrijednosti unutar tražene nesigurnosti.
I kao rezultat svih ovih mjera, puno više od kilograma sprema se promijeniti.
Novi međunarodni sustav jedinica
Više od redefiniranja kilograma, 26. sastanak Generalne konferencije o težini i mjerama (CGPM) postavlja fiksnu vrijednost za Planckovu konstantu i, kao rezultat, omogućava najveću transformaciju Međunarodnog sustava jedinica od njegovog osnutka 1960. godine Prije toga, Planckova konstanta mjerena je neprekidno, uspoređivana s drugim mjerenjima širom svijeta, a popis novih vrijednosti dostavljao se istraživačkim institucijama svakih nekoliko godina.
"Nitko neće mjeriti Planckovu konstantu nakon što ovo glasovanje prođe, jer će biti definirana njegova vrijednost", kaže Davis.
Pored Planckove konstante, konstantna vrijednost Avogadro bit će postavljena na fiksnu vrijednost, kao i elementarni naboj ( e, naboj jednog protona) i trostruku točku vode (temperatura pri kojoj voda može postojati kao kruta tvar, tekućina ili plin, koji se definiraju kao 273, 16 stupnjeva Kelvina ili 0, 01 stupnja C).
Postavljajući Planckovu konstantu kao apsolutnu vrijednost, znanstvenici se okreću konvencionalnim mehaničkim mjerenjima i prihvaćaju skup kvantnih električnih mjerenja kako bi definirali naše temeljne jedinice. Jednom kada se konstanta definira, pomoću nje se može izračunati raspon masa od atomske razine do kozmičke, ostavljajući iza sebe potrebu za skaliranjem IPK-a na manje mjerljive dijelove ili do ogromnih masa.
"Ako imate artefakt, samo se u jednom trenutku sidrate na skali", kaže Schlamminger. "A temeljnu konstantu nije briga za razmjere."
Ian Robinson s ravnotežom Mark II Kibble. Izgradio Nacionalni fizikalni laboratorij (NPL) u Velikoj Britaniji, Mark II kasnije je nabavilo Nacionalno vijeće za istraživanje (NRC) Kanade, gdje je korišteno za mjerenje vrijednosti Planckove konstante do nesigurnosti od 9 dijelova po milijardi. (Ljubaznošću NPL-a) Nova vrijednost za Planckovu konstantu također mijenja definicije naših električnih jedinica, poput definicije ampera iz 1948. godine. Fizičari su dugo koristili Josephsonove i von Klitzing efekte za precizno izračunavanje električnih vrijednosti, ali ta mjerenja ne mogu biti dio SI dok jedna od njihovih varijabli - Planckova konstanta - ne bude fiksna vrijednost.
"Uvijek mi je reklo da bih morao prijeći kilogram ako bih želio dobiti svoj voltni SI ili svoj SI ohm. Morao sam proći mehaničku jedinicu da bih nabavio svoje električne jedinice ", kaže Newell. "To se činilo u 19. stoljeću, i bilo je."
Sada će se električne jedinice koristiti za dobivanje kilograma.
"Ljudi razgovaraju o, oh, to je redefinicija kilograma, ali mislim da to zapravo nedostaje važno pitanje", kaže Schlamminger. "Mi ćemo vratiti ove električne jedinice u SI."
Za sve ljude, za sva vremena
Širom svijeta postoji više od pola tuceta kilograma, a mnoge zemlje od Južne Amerike do Azije grade svoje - jer jednom kada ih naučnici imaju, oni imaju alat za pristup kilogramu i mnogim drugim temeljnim jedinicama i mjerama definiranim u priroda. Kilogram više neće biti ograničen na trezor, gdje rijetki imaju privilegiju ikad pristupiti njemu, a svi se toliko boje da ga dodirnu da se ne koristi, već jednom u pola stoljeća.
"To znači da sada ono što možemo učiniti jest proširiti način određivanja mase po cijelom svijetu", kaže Robinson.
Za znanstvenike na čiji rad ova promjena utječe, novi Međunarodni sustav jedinica nije ništa manje od povijesne prigode.
"Još se uvijek brinem kako je ovo sve san, a sutra se probudim i to nije istina", kaže Schlamminger. "Mislim da je ovo završetak luka o kojem su ljudi počeli razmišljati prije Francuske revolucije, a ideja je bila da se mjerimo za sva vremena za sve ljude."
Stephan Schlamminger objasnio je Kibble ravnotežu s radnim Lego modelom na Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju (NIST) u Gaithersburgu, Maryland. (Jay Bennett) "Ovo je bio jedan od najvažnijih trenutaka mog života", kaže Klaus von Klitzing s Instituta Max Planck, čija će se vlastita konstanta zacementirati kao fiksna vrijednost kao rezultat novog SI. "Ovo je divno. Imamo ujedinjavanje ovih kvantnih jedinica ... s novim jedinicama SI, i stoga je ovo prekrasna situacija. "
Takve promjene naših temeljnih vrijednosti za opisivanje svemira ne događaju se često, a teško je zamisliti kada će se neko ponoviti. Brojilo je redefinirano 1960., a zatim opet 1984. godine.
Druga je redefinirana 1967. "Sada je to bila prilično revolucionarna promjena", kaže Davis. "Ljudi su za vječnost govorili rotacijom Zemlje, i odjednom smo se promijenili u vibraciju u atomu cezija."
Je li redefiniranje drugog temeljnija promjena ljudskog razumijevanja od redefiniranja kilograma nije za reći, ali, kao i drugi, redefinirani kilogram nedvojbeno je značajan trenutak u napredovanju naše vrste.
"Rješavanje posljednjeg artefakta ... to je povijesna stvar", kaže Davis. "Standardi mjerenja temeljeni su na tim artefaktima, otkad bilo tko zna. Iskopavanja iz doba neolitika pokazuju standarde - standardne duljine, standardne mase - koji su mali komadići trunca ili stijene ili nešto slično. I tako ljudi to rade već tisućljećima, a ovo je posljednje. "
SI će se opet promijeniti, premda prvenstveno kao posljedica smanjenja ionako beskonačnih minimalnih nesigurnosti, ili prelaska na drugu valnu duljinu svjetlosti ili kemijsku mjeru koja je uvijek tako malo preciznija. U budućnosti ćemo SI možda dodati jedinice za vrijednosti za koje još nismo razmišljali definirati. Ali možda više nikada nećemo činiti ono što sada radimo, da ostavimo iza sebe razumijevanje svojih predaka i prihvatimo novi sustav mjera.
