Încuiat într-o boltă care necesită trei chei pentru deschidere, în orașul Sèvres chiar spre sud-vestul Parisului, se află un kilogram. De fapt, este The Kilogram, prototipul internațional al kilogramului (IPK), kilogramul împotriva căruia toate celelalte kilograme trebuie să-și ia măsura, Le Grand K. Acest cilindru din aliaj de platină-iridiu se află sub trei clopote de sticlă de protecție, într-un mediu controlat de temperatură și umiditate, într-un seif împreună cu șase copii oficiale, în bolta subterană a Sèvres.
„Dacă ar trebui să-l aruncați, ar fi tot un kilogram, dar masa întregii lumi s-ar schimba”, spune Stephan Schlamminger, fizician la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) din Gaithersburg, Maryland.
IPK-ul nu iese decât din bolta sa la fiecare 40 de ani sau mai mult, atunci când lingotul cu dimensiunea mingii de golf, exact un kilogram prin definiție din 1889, este utilizat pentru calibrarea copiilor care sunt partajate cu țări din întreaga lume. Dar există o problemă. În seif cu IPK se află șase temoine, sau „martori” - copiile oficiale. De-a lungul anilor, după cum au demonstrat rarele ocazii în care Le Grand K și martorii săi au fost măsurați, masa IPK a „în derivă”.
Prototipul internațional al kilogramului (IPK). (Fotografie curtoazie a BIPM) Majoritatea martorilor acum cântăresc puțin mai mult - o chestiune de micrograme sau milioane de grame - decât IPK (deși multe dintre exemplare au fost mai masive pentru început). Ați putea spune că IPK pierde din masă, numai că nu puteți spune asta, deoarece IPK este imuabil și de neclintit un kilogram . De altfel, fizicienii nici nu știu dacă IPK-ul pierde masă sau câștigă masă pe termen lung, doar că este lent în derivă din cauza unor cantități imperceptibile de material agregat din aer, sau frecat în timpul unei cântăriri sau înfundat pe suprafața argintie a IPK în timpul unei băi minuțioase.
După cum vă puteți imagina, acest moment în derivă le provoacă multor dureri de cap oamenilor de știință - ca să nu mai vorbim de industriile care se bazează pe măsurători de masă mici și precise, cum ar fi companiile farmaceutice.
„Momentan, kilogramul este definit în termeni de masa unui anumit lucru”, spune Ian Robinson, de la Laboratorul Național de Fizică (NPL) din sudul Londrei. „Și dacă acel lucru este distrus sau schimbat sau altceva, este penibil.”
Una dintre copiile platist-iridiu ale NIST ale IPK, K92, cu mase de kilogram din oțel inoxidabil în fundal. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Din fericire, metrologii lumii au o soluție: redefini kilogramul în termenii unei constante naturale, universale. Majoritatea unităților din Sistemul Internațional de Unități (SI) sunt deja definite în funcție de constante universale, cum ar fi contorul, care este oficial lungimea parcursă la viteza luminii în vid în 1 / 299.792.458 din a doua. Desigur, această definiție se bazează pe a doua, care este definită ca durata de 9.192.631.770 perioade a unei frecvențe specifice de radiații electromagnetice (microunde în acest caz) care determină trecerea electronului exterior al unui atom de cesiu-133 (trecerea de la un cuant măsurarea „spin up” la „spin spin” sau invers.
Dar kilogramul, ultima unitate rămasă definită de un artefact, a rezistat cu încăpățânare la redefinirea - până acum. Pe 16 noiembrie, la cea de-a 26-a ședință a Conferinței generale privind greutățile și măsurile, delegații din 60 de state membre se vor aduna la Sèvres pentru a vota pentru a redefini kilogramul în funcție de constanta lui Planck - un număr care raportează frecvența unei unde de lumină la energia unui foton în acea undă. Și potrivit lui Richard Davis, fizician al Biroului Internațional de Greutăți și Măsuri (BIPM), „așteaptă o majoritate substanțială”.
(ACTUALIZARE: Pe 20 mai 2019, modificările aduse sistemului internațional de unități au intrat oficial în vigoare, inclusiv noi definiții pentru kilogram, amperi, kelvin și aluniță.)
Max Planck și Albert Einstein
În 1879, IPK a fost distribuit de compania de metale prețioase Johnson Matthey din Londra, un Max Planck, în vârstă de 20 de ani, și-a apărat teza cu privire la a doua lege a termodinamicii și s-a născut Albert Einstein. Deși cei doi oameni de știință nu au știut-o în timpul cursurilor vieții lor, munca lor colectivă asupra fizicii fundamentale a gravitației și mecanicii cuantice ar veni să pună bazele unei definiții a kilogramului din secolul XXI.
Deci, care este constanta lui Planck? „La un nivel fundamental, este greu de spus”, spune Davis.
Constanta lui Planck este un număr foarte mic: 6.62607015 x 10 -34, pentru a fi exact, așa cum va fi definit oficial la ședința din 16 noiembrie. În 1900, Max Planck a calculat numărul care să se potrivească modelelor de lumină care provin de la stele, potrivind energia și temperatura stelelor la spectrele lor de radiații electromagnetice (cunoscute colectiv ca radiații negre). La vremea respectivă, datele experimentale au sugerat că energia nu curge în mod liber la nicio valoare, ci mai degrabă conținută în pachete sau quanta - din care mecanica cuantică își ia numele - și Planck trebuia să calculeze o valoare pentru aceste mănunchi pentru a se potrivi cu modelele sale de radiații negre.
Cinci laureați Nobel, de la stânga la dreapta: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan și Max von Laue, s-au adunat pentru o cină găzduită de von Laue în 1931. (Domeniu public) Cinci ani mai târziu, Albert Einstein a publicat teoria sa despre relativitatea specială, care ar urma să fie exprimată ca celebra ecuație E = mc 2 (energia este egală cu masa de viteză a luminii pătrate, o epifanie că energia este fundamental legată în toate materia universului). El a calculat, de asemenea, valoarea teoretică a unui singur cuant fundamental de energie electromagnetică - acum cunoscut sub numele de foton - care a rezultat în relația Planck-Einstein, E = h v . Ecuația afirmă că energia unui foton (E) este egală cu constanta lui Planck (h) de frecvență a radiației electromagnetice ( v, care este simbolul grecesc nu mai degrabă decât „v”).
„Știți că aveți energia unui foton, care este h v, dar știți, de asemenea, că aveți energia unei mase, care este mc 2 . [Deci], E = h v = mc 2 . Chiar acolo puteți vedea cum puteți obține o masă din h [constanta lui Planck], v [frecvența undei] și c [viteza luminii] ”, spune David Newell, fizician la NIST.
Dar acesta nu este singurul loc în care apare constanta lui Planck. Numărul este necesar pentru a descrie efectul fotoelectric pe care se bazează celulele solare. Este, de asemenea, utilizat în modelul de atom al lui Niels Bohr și chiar apare în principiul incertitudinii Heisenberg.
„Este ca și cum ai spune, păi, ce-i cu Pi?”, Spune Davis. „Ce este Pi? Ei bine, este circumferința cercului împărțit la diametrul cercului. Dar atunci Pi apare peste tot în matematică. Este peste tot.
Cheia care leagă constanta lui Planck la kilogram este unitatea sa, joule-second, sau J · s. Constanta primește această unitate unică, deoarece energia este măsurată în joule și frecvența este măsurată în Hertz (Hz), sau cicluri pe secundă. O jouă este egală cu un kilogram înmulțit cu metri pătrați împărțiți în secunde pătrate (kg · m 2 / s 2 ), deci cu câteva măsurători și calcule inteligente, se poate ajunge la kilogram.
Dar înainte de a putea convinge lumea să schimbe definiția unității de masă standard, măsurătorile dvs. ar fi cel mai bine luate vreodată în istoria științei. Și după cum spune Newell, „a măsura ceva absolut este al naibii de greu”.
Măsurare pentru măsură
De multe ori ne dăm seama că o secundă este o secundă sau un metru un metru. Dar pentru majoritatea istoriei umane, astfel de măsuri de timp, lungime și masă au fost destul de arbitrare, definite în funcție de capriciile obiceiurilor locale sau ale conducătorilor. Unul dintre primele decrete conform cărora măsurările naționale trebuie standardizate au provenit de la Carta Magna în 1215, care prevede:
„Să existe o măsură pentru vin în toată împărăția noastră și o măsură pentru vin și o măsură pentru porumb, și anume„ cartierul londonez ”; și o lățime pentru pânze, vopsite, roșii sau halberget, și anume două ele în talpă. Să fie la fel cu greutățile ca și cu măsurile. ”
Însă, în urma Iluminismului, pe măsură ce oamenii de știință au început să dezlănțuie constrângerile fizice ale universului, a devenit evident că diferite standarde de măsură au prezentat un impediment important pentru avansarea speciei. Oamenii de știință s-au răspândit pe glob în secolele XVIII și XIX, măsurând totul, de la forma exactă a Pământului până la distanța până la soare - și de fiecare dată când o lachter germană (aproximativ doi metri, în funcție de regiune) trebuia să fie comparată cu un englez curtea (care, de asemenea, a variat pentru cea mai mare parte a existenței sale), incertitudinile și comunicările greșite au abundat.
O copie a standardului de la primul metru, sigilată în fundația unei clădiri de la 36 rue de Vaugirard, Paris. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Francezii au avut în sfârșit o revoluție - nu doar de politică, ci și de măsuri. Pe măsură ce secolul al XVIII-lea s-a încheiat, se estimează că Regatul Franței a avut aproximativ un sfert de milioane de unități diferite, ceea ce face imposibilă urmărirea acestora. Îndemnat de Adunarea Națională Constituantă, care s-a format la începutul Revoluției Franceze, Academia Franceză de Științe și-a propus să înființeze o nouă unitate de lungime care să devină măsura oficială a țării: contorul, definit ca o zece miliarde a distanței de la Polul Nord până la Ecuator.
O expediție de sondaj condusă de matematicienii și astronomii francezi Jean Baptiste Joseph Delambre și Pierre Méchain a triangulat distanța unei porțiuni din acea lungime, care se întindea de la Dunkirk la Barcelona, pentru a calcula noul contor. Măsurătorile sondajului au fost finalizate în 1798, iar noul standard a fost adoptat curând în Franța.
Contorul a reprezentat o unitate fundamentală de măsură, definind litrul (1.000 de centimetri cubi) și chiar kilogramul (masa unui litru de apă). Până în 1875, lumea era gata să adopte sistemul metric, iar Convenția privind metrul din acel an a văzut reprezentanți din 17 națiuni semnarea Tratatului contorului, creând Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri și prevedând noi standarde de masă și lungime. turnat în aliaj de platină-iridiu, care definește contorul și kilogramul pentru lume.
Însă, în timp ce un val de oameni de știință din secolul XX, precum Planck și Einstein, au început să tragă și să producă la structura newtoniană a fizicii, descoperind noi legi printre imensitatea cosmosului și elementele fundamentale ale atomului, sistemul de măsură trebuia să fie actualizat în consecință. . Până în 1960, Sistemul Internațional de Unități (SI) a fost publicat, iar țările din întreaga lume au instituit instituții de metrologie pentru a rafina continuu definițiile oficiale ale celor șapte unități de măsură ale noastre: metru (lungime), kilogram (masă), secundă (timp ), ampere (curent electric), kelvin (temperatura), aluniță (cantitate de substanță) și candela (luminozitate).
O sferă Avogadro de silici pur-28 de atomi. Măsurând volumul sferei și volumul unui singur atom de siliciu-28, meteorologii pot măsura masa unui singur atom din sferă, oferind o metodă pentru a calcula numărul de atomi dintr-o aluniță, numită numărul lui Avogadro, care poate fi folosit pentru calcularea constantei lui Planck. (Fotografie curtoazie a BIPM) Din aceste unități de bază se pot calcula toate celelalte unități. Viteza este măsurată în metri pe secundă care poate fi convertită în mph și alte viteze; voltul se măsoară în termeni de amperi de curent și de rezistență în ohmi; iar definiția șantierului este acum proporțională cu 0, 9144 de metru.
Astăzi, ca în timpul secolului 18, problema perfecționării acestor măsurători este în fruntea capacității științifice. Deși redefinirea kilogramului este puțin probabil să vă schimbe viața de zi cu zi, efectele finale ale definirii unui sistem de măsuri mai exacte sunt adesea răspândite și profunde.
Luați, de exemplu, a doua. Din 1967, definiția unei secunde s-a bazat pe frecvența unui laser cu microunde și, fără această precizie, tehnologia GPS ar fi imposibilă. Fiecare satelit GPS poartă un ceas atomic, esențial pentru a corecta faptul că timpul trece infinitim dar măsurabil mai lent pe sateliții noștri, pe măsură ce orbitează Pământul cu viteze mari - efect prevăzut de teoria relativității lui Einstein. Fără noua definiție, nu am putea corecta aceste fracțiuni minuscule de o secundă și, pe măsură ce acestea au crescut, măsurătorile GPS ar urma să depășească din ce în ce mai departe, făcând totul, de la Google Maps la muniții ghidate GPS, decât știință-ficțiune.
Relația dintre cel de-al doilea și GPS dezvăluie legătura fundamentală a metrologiei și științei: avansarea cercetării necesită și permite noi standarde de măsură, iar aceste noi standarde de măsură permit la rândul lor o cercetare mai avansată. În cazul în care acest ciclu va duce în cele din urmă specia noastră nu se cunoaște, dar în urma morții barei de contor și a abandonării celui de-al doilea, așa cum este definit de o fracțiune de zi, un lucru este clar: IPK este alături de ghilotină.
Soldul Kibble
Soldul NIST-4 Kibble, operat de Institutul Național de Standarde și Tehnologie. Spre deosebire de echilibrele anterioare Kibble, NIST-4 folosește o roată de echilibru care funcționează ca o scripetă și nu ca un fascicul. Soldul a măsurat constantul lui Planck până la o incertitudine de 13 părți la miliard. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Fizicienii știu de zeci de ani că kilogramul ar putea fi definit în termenii constantei lui Planck, dar nu de curând metrologia a avansat suficient pentru a măsura numărul cu o asemenea precizie încât lumea ar accepta o nouă definiție. Până în 2005, un grup de oameni de știință de la NIST, NPL și BIPM, pe care Newell îi numește „gașca celor cinci”, a început să impulsioneze problema. Lucrarea lor cu privire la această chestiune este intitulată: Redefinirea kilogramului: o decizie a cărei perioadă a venit .
"O consider o hartie importanta", spune Newell. „A fost foarte provocator - a enervat oamenii”.
Una dintre tehnologiile cheie pentru măsurarea constantei Planck identificată în hârtie este un echilibru de watt, conceptualizat prima dată de Bryan Kibble la NPL în 1975. (După moartea sa în 2016, soldul de wați a fost redenumit soldul Kibble în onoarea lui Bryan Kibble.)
Soldul Kibble este, la un nivel fundamental, evoluția unei tehnologii care datează de peste 4.000 de ani: balanțele de echilibru. Dar în loc să cântărească un obiect față de altul pentru a-i compara pe cei doi, un echilibru Kibble permite fizicienilor să cântărească o masă față de cantitatea de forță electromagnetică necesară pentru a-l menține.
„Bilanțul funcționează trecând un curent printr-o bobină într-un câmp magnetic puternic și asta generează o forță și puteți folosi această forță pentru a echilibra greutatea unei mase”, spune Ian Robinson, de la NPL, care a lucrat cu Bryan Kibble la primele solduri de watt începând cu 1976 înainte.
Soldul funcționează în două moduri. Primul mod de cântărire sau forță echilibrează o masă cu o forță electromagnetică egală. Al doilea mod, viteza sau modul de calibrare, folosește un motor pentru a deplasa bobina între magneți în timp ce masa nu este în echilibru, generând o tensiune electrică care vă oferă forța câmpului magnetic exprimat ca măsură a forței electrice. Drept urmare, forța masei în modul de cântărire este egală cu forța electrică generată în modul de viteză.
Forța electrică poate fi calculată ca o funcție a constantei lui Planck, datorită activității a doi fizicieni câștigători ai premiului Nobel, Brian Josephson și Klaus von Klitzing. În 1962, Josephson a descris un efect electric cuantic legat de tensiune, iar von Klitzing a dezvăluit un efect cuantic al rezistenței în 1980. Cele două descoperiri fac posibilă calcularea forței electrice a bilanțului Kibble în termeni de măsurări cuantice (folosind constanta lui Planck), care, la rândul său, echivalează cu masa unui kilogram.
În plus față de echilibrul Kibble, hârtia „din cinci” abordează un alt mod de a calcula constanta lui Planck - prin crearea de sfere de atomi de silicon 28 pur practic, obiectele cele mai perfect rotunde create vreodată de umanitate. Volumul și masa unui singur atom din sferă pot fi măsurate, ceea ce permite metrologilor și chimiștilor să rafineze constanta Avogadro (numărul de entități este un aluni), iar din numărul lui Avogadro, se poate calcula Planck prin ecuații deja cunoscute.
„Aveți nevoie de două moduri de a face acest lucru pentru a obține încrederea că nu există o problemă ascunsă într-o singură metodă”, spune Robinson.
O placă albă de la NIST explică modul în care un echilibru Kibble poate echivala o măsură mecanică (greutatea unei mase de kilograme) cu o măsură electrică (forța curentului electric necesar pentru a ține kilogramul, exprimată ca o funcție a constantei lui Planck). (Jay Bennett) Pentru a redefini kilogramul, modificare care va fi implementată la 20 mai 2019, Conferința generală pentru greutăți și măsuri a necesitat cel puțin trei experimente pentru a calcula constantă Planck până la o incertitudine de cel mult 50 de părți pe miliard, una dintre care trebuie să calculeze valoarea într-o incertitudine de 20 de părți la un miliard. Efortul internațional al sferei de siliciu a devenit suficient de precis pentru a obține o incertitudine de doar 10 părți la un miliard, iar patru măsurători de echilibru Kibble au produs, de asemenea, valori în incertitudinea necesară.
Și ca urmare a tuturor acestor măsuri, mult mai mult decât kilogramul este pe cale să se schimbe.
Noul sistem internațional de unități
În afară de redefinirea kilogramului, cea de-a 26-a ședință a Conferinței Generale pentru Greutăți și Măsuri (CGPM) stabilește o valoare fixă pentru constanta Planck și, ca urmare, are loc cea mai mare transformare a sistemului internațional de unități de la înființarea sa în 1960 Anterior, constanta lui Planck a fost măsurată neîncetat, în medie cu alte măsurători din întreaga lume și o listă de noi valori a fost livrată instituțiilor de cercetare la fiecare câțiva ani.
„Nimeni nu va măsura constanta Planck odată ce a trecut [votul], deoarece valoarea sa va fi fost definită”, spune Davis.
În plus față de constanta Planck, constanta Avogadro va fi setată la o valoare fixă, la fel ca și sarcina elementară ( e, sarcina unui proton) și triplul punct al apei (temperatura la care apa poate exista ca solid, lichid sau gaz, a fi definit ca 273, 16 grade Kelvin, sau 0, 01 grade C).
Stabilind constantă Planck ca valoare absolută, oamenii de știință se îndepărtează de măsurători mecanice convenționale și adoptă o suită de măsurători electrice cuantice pentru a defini unitățile noastre fundamentale. Odată ce constanta este definită, poate fi utilizată pentru a calcula o serie de mase de la nivelul atomic la cosmic, lăsând în urmă necesitatea de a scala IPK în părți mai mici măsurabile sau până la mase enorme.
„Dacă aveți un artefact, vă ancorați doar scala la un moment dat”, spune Schlamminger. „Și o constantă fundamentală nu-i pasă de scară.”
Ian Robinson cu echilibrul Mark II Kibble. Construit de Laboratorul Național de Fizică (NPL) din Marea Britanie, Mark II a fost achiziționat ulterior de Consiliul Național de Cercetare (NRC) din Canada, unde a fost utilizat pentru a măsura o valoare a constantei lui Planck, într-o incertitudine de 9 părți pe miliard. (Imagine amabilitate din NPL) Noua valoare pentru constanta lui Planck modifică, de asemenea, definițiile unităților noastre electrice, cum ar fi definiția amperiului din 1948. Fizicienii au folosit mult timp efectele Josephson și von Klitzing pentru a calcula valorile electrice cu precizie, dar aceste măsurători nu pot face parte din SI decât dacă una dintre variabilele lor - constanta Planck - este o valoare fixă.
„Mereu mă îngrijorează faptul că, dacă vreau să-mi iau voltajul SI sau ohmul meu SI, trebuia să trec de kilogram. A trebuit să trec printr-o unitate mecanică pentru a-mi primi unitățile electrice ”, spune Newell. „Asta părea foarte secolul al XIX-lea și a fost”.
Acum, unitățile electrice vor fi folosite pentru a obține kilogramul.
"Oamenii vorbesc, oh, este redefinirea kilogramului, dar cred că acest lucru lipsește de fapt un punct important", spune Schlamminger. „Vom readuce aceste unități electrice în SI”.
Pentru toți oamenii, pentru tot timpul
Există mai mult de o jumătate de duzină de solduri Kibble în întreaga lume și multe țări din America de Sud până în Asia își construiesc propriile - pentru că, odată ce oamenii de știință au unul, au instrumentul pentru a accesa kilogramul și multe alte unități și măsuri fundamentale definite de natură. Kilogramul nu va mai fi limitat la o boltă, unde puțini au privilegiul de a-l accesa vreodată și toți le este atât de frică să-l atingă, încât nu este folosit, ci o dată pe jumătate de secol.
„Înseamnă acum, ceea ce putem face este să răspândim modul de determinare a masei în întreaga lume”, spune Robinson.
Pentru oamenii de știință a căror activitate afectează această schimbare, noul Sistem internațional de unități nu este nimic scurt pentru o ocazie istorică.
„Sunt încă îngrijorat că este totul un vis, iar mâine mă trezesc și nu este adevărat”, spune Schlamminger. "Cred că acesta este terminarea arcului la care oamenii au început să se gândească înainte de Revoluția Franceză, iar ideea era să facă măsurători pentru toate timpurile pentru toți oamenii."
Stephan Schlamminger explicând echilibrul Kibble cu un model Lego de lucru la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) din Gaithersburg, Maryland. (Jay Bennett) „Acesta a fost unul dintre punctele culminante ale vieții mele”, spune Klaus von Klitzing de la Max Planck Institute, a cărui constantă va fi cimentată ca valoare fixă ca urmare a noii SI. „Este minunat. Avem unificarea acestor unități cuantice ... cu noile unități SI, și, prin urmare, aceasta este o situație minunată. "
Astfel de schimbări ale valorilor noastre fundamentale pentru a descrie universul nu apar deseori și este greu de imaginat când se va întâmpla din nou. Contorul a fost redefinit în 1960 și apoi din nou în 1984.
Al doilea a fost redefinit în 1967. „Acum, aceasta a fost o schimbare revoluționară”, spune Davis. „Oamenii pentru eternitate povestiseră timpul prin rotirea Pământului și, dintr-o dată, ne-am schimbat la o vibrație într-un atom de cesiu.”
Dacă redefinirea celui de-al doilea a fost o schimbare mai fundamentală a înțelegerii umane decât redefinirea kilogramului nu înseamnă, dar, la fel ca al doilea, kilogramul redefinit este fără îndoială un moment notabil în avansarea speciei noastre.
„A scăpa de ultimul artefact… asta este chestia istorică”, spune Davis. „Standardele de măsurare s-au bazat pe aceste artefacte, într-adevăr, din moment ce cineva știe. Săpăturile din timpurile neolitice arată standarde - lungimi standard, mase standard - care sunt bucăți mici de chert sau rocă sau ceva de genul. Și așa s-au descurcat oamenii de milenii și acesta este ultimul. ”
SI se va schimba din nou, deși în primul rând ca urmare a reducerii incertitudinilor deja infinitesimale sau a trecerii la o lungime de undă diferită a măsurii ușoare sau chimice, care este tot mai ușor mai precisă. În viitor, putem adăuga chiar și unități la SI pentru valori pe care încă nu ne-am gândit să le definim. Dar nu vom mai face niciodată ceea ce facem acum, pentru a lăsa în urmă înțelegerea strămoșilor noștri și a îmbrățișa un nou sistem de măsuri.
