Затворен в свод, който изисква отваряне на три ключа, в град Севр, точно на югозапад от Париж, има килограм. Всъщност това е Килограмът, международният прототип на килограмите (IPK), килограмът, срещу който всички останали килограми трябва да вземат своята мярка, Le Grand K. Този цилиндър от платиново-иридиева сплав се намира под три защитни стъклени камбани, в среда с контролирана температура и влажност, в сейф, заедно с шест официални копия, в подземния свод на Север.
„Ако го свалите, пак щеше да е килограм, но масата на целия свят ще се промени“, казва Стефан Шламмингер, физик от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) в Гейтерсбург, Мериленд.
IPK излиза от свода само на всеки 40 години или повече, когато слитъка с размер на топката за голф, точно килограм по дефиниция от 1889 г., се използва за калибриране на копия, които се споделят със страни по света. Но има проблем. В трезора с IPK са шест темоина или „свидетели“ - официалните копия. С течение на годините, както се вижда от редките случаи, когато Le Grand K и неговите свидетели са били измерени, масата на IPK се е „премествала“.
Международният прототип на килограм (IPK). (С любезното съдействие на BIPM) Повечето свидетели тежат малко повече - въпрос на микрограми или милиони грам - отколкото IPK (въпреки че много от копията бяха по-масивни в началото). Бихте могли да кажете, че IPK губи маса, само че не можете да го кажете, тъй като IPK е неизменен и непоколебим един килограм . Освен това, физиците дори не знаят дали IPK губи маса или набира маса в дългосрочен план, просто, че бавно се движи поради неусетно количество материал, натрупан от въздуха, или се разтрива по време на претегляне или се размазва върху сребриста повърхност на IPK по време на една от щателните му бани.
Както можете да си представите, този минутен дрейф причинява на учените много главоболия - да не говорим за индустрии, които разчитат на малки и точни измервания на масата, като фармацевтичните компании.
"В момента килограмът се определя като маса на определено нещо", казва Иън Робинсън от Националната физическа лаборатория (NPL) в Южен Лондон. "И ако това нещо бъде унищожено или променено или каквото и да е, е неудобно."
Едно от платино-иридиевите копия на NIST на IPK, K92, с килограмови маси от неръждаема стомана на заден план. (Дженифър Лорън Лий / NIST) За щастие, метролозите по света имат решение: да дефинират килограмите по отношение на естествена, универсална константа. Повечето единици в Международната система от единици (SI) вече са дефинирани според универсални константи, като например глюкомерът, който официално е изминатата дължина със скоростта на светлината във вакуум в 1 / 299, 792, 458-та част от секундата. Разбира се, това определение разчита на второто, което се определя като продължителността на 9, 192, 631, 770 периода с определена честота на електромагнитното излъчване (микровълни в този случай), което причинява преход на външния електрон на атом цезий-133 (превключване от квантов измерване на „въртене нагоре“ до „въртене надолу“ или обратно).
Но килограмът, последната останала единица, определена от артефакт, упорито се противопоставяше на предефиниране - досега. На 16 ноември, на 26-ата среща на Генералната конференция за теглата и мерките, делегати от 60 държави-членки ще се съберат в Севър, за да гласуват, за да дефинират килограмите според константата на Планк - число, което свързва честотата на светлинна вълна с енергия на фотон в тази вълна. А според Ричард Дейвис, физик от Международното бюро за тежести и мерки (BIPM), „те очакват значително мнозинство“.
(Актуализация: На 20 май 2019 г. промените в Международната система от единици влязоха в сила, включително нови определения за килограм, ампер, келвин и мол.)
Макс Планк и Алберт Айнщайн
През 1879 г. IPK е хвърлен от компанията за благородни метали Johnson Matthey в Лондон, 20-годишният Макс Планк защитава дисертацията си относно втория закон на термодинамиката и Алберт Айнщайн се ражда. Въпреки че двамата учени не са го знаели по време на курсовете на живота си, тяхната колективна работа по фундаменталната физика на гравитацията и квантовата механика щеше да постави основата на дефиницията на килограм в 21 век.
И така, какво е константа на Планк? „На фундаментално ниво е трудно да се каже“, казва Дейвис.
Константата на Планк е много малък брой: 6.62607015 х 10 -34, за да бъдем точни, както ще бъде официално определено на срещата на 16 ноември. През 1900 г. Макс Планк изчислява броя, за да пасне на светлинни модели, идващи от звезди, като съответства на енергията и температурата на звездите с техните спектри на електромагнитно излъчване (общо известни като излъчване на черно тяло). По онова време експерименталните данни подсказват, че енергията не е свободно течаща при никаква стойност, а по-скоро се съдържа в снопове или кванти - от които квантовата механика носи името си - и Планк е необходим, за да изчисли стойност за тези снопове, за да отговарят на моделите му на излъчване на черното тяло.
Петима Нобелови лауреати, отляво надясно: Уолтър Нерст, Алберт Айнщайн, Макс Планк, Робърт Миликан и Макс фон Лауе, се събраха на вечеря, домакин на фон Лауе през 1931 г. (Public Domain) Пет години по-късно Алберт Айнщайн публикува теорията си за специална относителност, която ще се изрази като известното уравнение E = mc 2 (енергията е равна на масата на скоростта на квадратна светлина, епифания, че енергията е фундаментално свързана във всички материя на Вселената). Той също така изчисли теоретичната стойност на един-единствен фундаментален квант от електромагнитна енергия - сега известен като фотон - който доведе до връзката Планк-Айнщайн, E = h v . Уравнението гласи, че енергията на фотон (Е) се равнява на константата на Планк (h) пъти по-голяма от честотата на електромагнитното излъчване ( v, което е гръцки символ nu, а не „v“).
„Знаеш, че имаш енергия на фотон, която е h v, но също така знаеш, че имаш енергия на маса, която е mc 2 . [И така], E = h v = mc 2 . Точно там можете да видите как можете да получите маса от h [константата на Планк], v [честотата на вълната] и с [скоростта на светлината] ”, казва Дейвид Нюъл, физик от NIST.
Но това не е единственото място, на което се появява константата на Планк. Числото е необходимо, за да се опише фотоелектрическият ефект, на който се базират слънчевите клетки. Използва се и в модела на атома на Нилс Бор и дори се появява в принципа на несигурността на Хайзенберг.
„Това е като да кажеш, добре, какво ще кажеш за Пи?“, Казва Дейвис. „Какво е Пи? Е, това е обиколката на окръжността, разделена на диаметъра на кръга. Но тогава Пи се появява навсякъде по математика. Навсякъде. "
Ключът, свързващ константата на Планк с килограмите, е неговата единица, джаул-секундата или J · s. Константата получава тази уникална единица, защото енергията се измерва в джоули, а честотата се измерва в херца (Hz), или цикли в секунда. Джаул е равен на килограм, умножен по квадратен метър, разделен на квадрати секунди (kg · m 2 / s 2 ), така че с няколко хитри измервания и изчисления човек може да достигне килограм.
Но преди да успеете да убедите света да промени определението на стандартната единица за маса, вашите измервания е по-добре да бъдат най-добрите, правени някога в историята на науката. И както казва Нюъл, „измерването на нещо абсолютно е дяволски трудно“.
Мярка за мярка
Често приемаме за даденост, че секундата е секунда или метър на метър. Но за по-голямата част от човешката история подобни мерки за време, дължина и маса са по-скоро произволни, определени според капризите на местните обичаи или владетели. Един от първите постановления, според които националните измервания трябва да бъдат стандартизирани, идва от Магна Карта през 1215 г., който гласи:
„Нека в цялото ни кралство има една мярка за вино и една мярка за елен и една мярка за царевица, а именно„ Лондонската четвърт “; и една ширина за платове, независимо дали са боядисани, русе или халбергет, а именно две ели в рамките на селфитата. Нека бъде същото с тежестите, както с мерките. "
Но след Просвещението, когато учените започнаха да разплитат физическите ограничения на Вселената, стана ясно, че различните стандарти за измерване представляват сериозна пречка за развитието на вида. Учените се разпространиха по целия свят през 18-ти и 19-ти век, измервайки всичко - от точната форма на Земята до разстоянието до слънцето - и всеки път немски лахтер (около два метра, в зависимост от региона) трябваше да се сравнява с английски двор (който също варираше през по-голямата част от неговото съществуване), несигурността и неправилните комуникации изобилстваха.
Копие на стандарта за първи метър, запечатан в основата на сграда на 36 rue de Vaugirard, Париж. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Накрая французите направиха революция - не само на политиката, но и на мерките. С наближаването на 18 век към Кралство Франция се смята, че има около четвърт милион различни единици, което прави невъзможно да ги следи всички. Призована от Националното учредително събрание, сформирано в началото на Френската революция, Френската академия на науките си постави за цел да създаде нова единица за дължина, която ще стане официалната мярка за страната: метърът, определен като десетмилионна от разстоянието от северния полюс до екватора.
Проучвателна експедиция, ръководена от френски математици и астрономи Жан Батист Джоузеф Деламбре и Пиер Мешън, триъгълни разстоянието на част от тази дължина, простираща се от Дюнкерк до Барселона, за да изчисли новия метър. Измервателните проучвания са завършени през 1798 г., а новият стандарт скоро е приет във Франция.
Метрът представлява основна мерна единица, определя литър (1000 кубически сантиметра) и дори килограм (масата на един литър вода). Към 1875 г. светът беше готов да приеме метричната система и през тази година Конвенцията за измерване на метри видя, че представители на 17 държави подписват Договора за измерване, създавайки Международното бюро за тежести и мерки и предвиждайки нови стандарти за маса и дължина да бъдат отлита в платиново-иридиева сплав, определяща метър и килограм за света.
Но тъй като вълна от учени от 20-ти век като Планк и Айнщайн започнаха да пробуждат и пробуждат към Нютоновата структура на физиката, откривайки нови закони сред необятността на Космоса и основите на атома, системата за измерване трябваше да бъде съответно актуализирана, До 1960 г. беше публикувана Международната система от единици (SI) и страните по света създадоха метрологични институции, които непрекъснато усъвършенстват официалните определения на седемте ни основни мерни единици: метър (дължина), килограм (маса), втори (време) ), ампер (електрически ток), келвин (температура), мол (количество вещество) и кандела (светимост).
Сфера Avogadro от чист силиций-28 атома. Чрез измерване на обема на сферата и обема на един атом силиций-28, метеоролозите могат да измерят масата на един атом в сферата, осигурявайки метод за изчисляване на броя на атомите в мол, наречен число на Авогадро, който може да да се използва за изчисляване на константата на Планк. (С любезното съдействие на BIPM) От тези базови единици могат да бъдат изчислени всички останали единици. Скоростта се измерва в метри в секунда, които могат да бъдат преобразувани в мили и други скорости; волта се измерва по отношение на ампер ток и съпротивление в оми; и определението на двора вече е пропорционално на 0, 9144 от метър.
Днес, както през 18-ти век, въпросът за усъвършенстването на такива измервания е начело на научните възможности. Въпреки че предефинирането на килограмите е малко вероятно да промени ежедневието ви, крайните ефекти от определянето на по-точна система от мерки често са широко разпространени и дълбоки.
Вземете например второто. От 1967 г. определението за секунда се основава на честотата на микровълновия лазер и без тази прецизност GPS технологията би била невъзможна. Всеки GPS сателит носи атомен часовник, критичен за коригиране на факта, че времето преминава безкрайно, но измеримо по-бавно на нашите спътници, докато обикалят около Земята с висока скорост - ефект, предвиден от теорията на относителността на Айнщайн. Без новото определение не бихме могли да коригираме тези малки части от секундата и докато те нарастваха, GPS измерванията ще се отдалечават все по-далеч и по-далеч от курса, правейки всичко от Google Maps до ръководените от GPS боеприпаси, освен научна фантастика.
Връзката между второто и GPS разкрива фундаменталното преплитане на метрологията и науката: напредването на научните изследвания изисква и дава възможност за нови стандарти за измерване, а тези нови стандарти за измерване от своя страна позволяват по-напреднали изследвания. Къде този цикъл в крайна сметка ще отведе нашия вид, не е известно, но след смъртта на метровата лента и изоставянето на втория, както е дефинирано от част от ден, едно е ясно: IPK е следващ до гилотината.
Балансът на Киббъл
Балансът на NIST-4 Kibble, управляван от Националния институт за стандарти и технологии. За разлика от по-ранните везни на Kibble, NIST-4 използва колело за балансиране, което работи като ролка, а не като греда. Балансът измерва константата на Планк до несигурност от 13 части на милиард. (Дженифър Лорън Лий / NIST) Физиците знаят от десетилетия, че килограмът може да се определи по отношение на константата на Планк, но едва доскоро метрологията беше достатъчно напреднала, за да измери броя с такава точност, че светът да приеме ново определение. Към 2005 г. група учени от NIST, NPL и BIPM, които Нюел нарича „бандата на петима“, започна да повдига въпроса. Техният документ по въпроса е озаглавен „ Предефиниране на килограмите: решение, чието време е дошло .
„Смятам, че това е основен документ“, казва Нюъл. „Беше много провокативно - дразнеше хората.“
Една от ключовите технологии за измерване на константата на Планк, идентифицирана в статията, е ватов баланс, първо концептуализиран от Брайън Кибъл в NPL през 1975 г. (След смъртта му през 2016 г. балансът на вата е преименуван на баланса на Киббъл в чест на Брайън Кибъл.)
Балансът на Kibble е на фундаментално ниво еволюцията на технология, която датира от повече от 4000 години: балансираща скала. Но вместо да претеглят обект срещу друг, за да сравнят двата, балансът на Kibble позволява на физиците да претеглят маса спрямо количеството електромагнитна сила, необходимо за задържането му.
„Балансът работи, като пропуска ток през бобина в силно магнитно поле и това генерира сила и можете да използвате тази сила, за да балансирате теглото на маса“, казва Иън Робинсън от NPL, който е работил с Брайън Кибъл на първите ватови баланси от 1976 г. нататък.
Балансът работи в два режима. Първият, режим на претегляне или сила, балансира маса срещу равна електромагнитна сила. Вторият режим, режим на скорост или калибриране, използва двигател за придвижване на намотката между магнитите, докато масата не е на баланса, генерира електрическо напрежение, което ви дава силата на магнитното поле, изразена като мярка за електрическа сила. В резултат на това силата на масата в режим на претегляне е равна на електрическата сила, генерирана в режим на скорост.
Тогава електрическата сила може да бъде изчислена като функция на константата на Планк благодарение на работата на двама спечелени от Нобел физици, Брайън Джоузефсън и Клаус фон Клацинг. През 1962 г. Джоузефсън описва квантов електрически ефект, свързан с напрежението, а фон Клацинг разкрива квантов ефект на съпротивление през 1980 г. Двете открития позволяват да се изчисли електрическата сила на баланса на Кибъл по отношение на квантовите измервания (използвайки константата на Планк), което от своя страна се равнява на масата на килограм.
В допълнение към баланса на Киббъл, „бандата от пет“ хартия адресира друг начин за изчисляване на константата на Планк - чрез изработване на сфери от практически чист силиций-28 атома, най-съвършено кръгли предмети, създавани някога от човечеството. Обемът и масата на един единствен атом в сферата могат да бъдат измерени, което позволява на метролозите и химиците да прецизират константата на Авогадро (броят на образуванията е един мол), а от числото на Авоадро може да се изчисли количеството на Планк чрез вече известни уравнения.
„Имате нужда от два начина да направите това, за да получите увереността, че няма един скрит проблем в един метод“, казва Робинсън.
Бяла дъска в NIST обяснява как балансът на Kibble може да приравни механичната мярка (теглото на килограм маса) с електрическа мярка (силата на електрическия ток, необходима за задържане на килограма, изразена като функция на константата на Планк). (Джей Бенет) За да предефинира килограма, промяна, която ще бъде наложена на 20 май 2019 г., Генералната конференция за тегла и мерки изисква поне три експеримента, за да се изчисли константата на Планк до несигурност не повече от 50 части на милиард, един от която трябва да изчисли стойността до несигурност от 20 части на милиард. Усилията на международната силициева сфера станаха достатъчно точни, за да се постигне несигурност от само 10 части на милиард, а четири измервания на баланса на Kibble също дадоха стойности в рамките на необходимата несигурност.
И в резултат на всички тези мерки много повече от килограмите са на път да се променят.
Новата международна система от единици
Повече от предефиниране на килограмите, 26-ата среща на Генералната конференция за тегла и мерки (CGPM) определя фиксирана стойност за константата на Планк и в резултат на това налага най-голямата трансформация на Международната система от единици от създаването й през 1960 г. Преди това константата на Планк се измерва непрекъснато, усреднява се с други измервания по целия свят, а на изследователските институции на всеки няколко години се предоставя списък с нови стойности.
„Никой няма да измерва константата на Планк, след като това [гласуване] е преминало, защото неговата стойност ще бъде определена“, казва Дейвис.
В допълнение към константата на Планк, константата Avogadro ще бъде зададена с фиксирана стойност, както и елементарният заряд ( e, зарядът на един протон), и тройната точка на водата (температурата, при която водата може да съществува като твърдо вещество, течност или газ, да се дефинират като 273, 16 градуса Келвин или 0, 01 градуса С).
Поставяйки константата на Планк като абсолютна стойност, учените се отклоняват от конвенционалните механични измервания и приемат набор от квантови електрически измервания, за да определят основните ни единици. След като константата бъде дефинирана, тя може да се използва за изчисляване на обхват от масиви от атомно ниво до космическо, оставяйки след себе си необходимостта от мащабиране на IPK надолу на по-малки измерими части или до огромни маси.
"Ако имате артефакт, вие закотвяте мащаба си само в един момент", казва Шламмингер. "И основна константа не се интересува от мащаба."
Иън Робинсън с баланса на Марк II Кибъл. Построен от Националната физическа лаборатория (NPL) във Великобритания, Марк II по-късно е придобит от Националния съвет за научни изследвания (NRC) на Канада, където е използван за измерване на стойност на константата на Планк до несигурност от 9 части на милиард. (Любезно изображение на NPL) Новата стойност за константата на Планк също променя определенията на нашите електрически единици, като определението на ампера от 1948 г. Физиците отдавна използват ефектите на Джоузефсон и фон Клатцинг, за да изчислят електрическите стойности с точност, но тези измервания не могат да бъдат част от SI, докато една от техните променливи - константата на Планк - не е фиксирана стойност.
„Винаги ми е решено, че ако искам да си взема SI волта или SI SI ома, трябва да премина през килограмите. Трябваше да мине през механичен възел, за да си взема електрическите възли “, казва Нюъл. „Това изглеждаше много през 19 век, и беше.“
Сега електрическите възли ще се използват за получаване на килограмите.
„Хората говорят за, о, това е предефинирането на килограмите, но мисля, че това всъщност пропуска важен момент“, казва Шламмингер. "Ще върнем тези електрически възли в SI."
За всички хора, за всички времена
По света има повече от половин баланс Kibble и много страни от Южна Америка до Азия изграждат свои собствени - защото след като учените разполагат с тях, те имат инструмента за достъп до килограмите и много други основни единици и мерки, определени от природата. Вече килограмът няма да бъде ограничен до трезор, където малцина имат привилегията някога да имат достъп до него и всички толкова се страхуват да го пипат, че да не се използва, но веднъж на половин век.
„Това означава, че това, което можем да направим, е да разпространим режима на определяне на масата по целия свят“, казва Робинсън.
За учените, чиято работа засяга тази промяна, новата Международна система от единици не е нищо друго освен исторически повод.
"Все още се притеснявам, че всичко това е мечта. Утре се събуждам и това не е вярно", казва Шламмингер. „Мисля, че това завършва дъгата, за която хората започнаха да мислят преди френската революция, и идеята беше да се направят измервания за всички времена за всички хора.“
Стефан Шламмингер обяснява баланса на Kibble с работещ модел Lego в Националния институт за стандарти и технологии (NIST) в Гейтерсбург, Мериленд. (Джей Бенет) „Това беше един от най-важните моменти в моя живот“, казва Клаус фон Клицинг от Института „Макс Планк“, чиято собствена константа ще бъде циментирана като фиксирана стойност в резултат на новото СИ. "Това е чудесно. Ние обединяваме тези квантови единици ... с новите единици SI и следователно това е чудесна ситуация. "
Такива промени в нашите основни ценности за описване на Вселената не се срещат често и е трудно да си представим кога човек ще се случи отново. Глюкомерът е предефиниран през 1960 г., а след това отново през 1984 г.
Втората е предефинирана през 1967 г. "Сега това беше доста революционна промяна", казва Дейвис. „Хората за цяла вечност бяха казали време чрез въртенето на Земята и изведнъж се променихме на вибрация в атом цезий.“
Дали предефинирането на втория е било по-фундаментална промяна в човешкото разбиране, отколкото предефинирането на килограмите, не е да се каже, но подобно на втория, предефинираният килограм несъмнено е забележителен момент в развитието на нашия вид.
"Да се отървем от последния артефакт ... това е историческото нещо", казва Дейвис. „Стандартите за измерване са базирани на тези артефакти, наистина, откакто някой знае. Разкопките в епохата на неолита показват стандарти - стандартни дължини, стандартни маси - това са малки парчета череша или скала или нещо подобно. И така хората го правят от хилядолетия и това е последното. "
SI отново ще се промени, макар и преди всичко като въпрос на намаляване на безкрайно малките несигурности или преминаване към различна дължина на вълната на светлината или химическа мярка, която е все така малко по-прецизна. В бъдеще може дори да добавим единици в SI за стойности, които все още не сме мислили да дефинираме. Но ние никога повече не можем да правим това, което правим сега, да оставим след себе си разбирането на нашите предци и да приемем нова система от мерки.
