Затворен у трезору за који су потребна три кључа да се отвори, у граду Севрес, југозападно од Париза, има килограм. Заправо, то је Килограм, међународни прототип килограма (ИПК), килограм према којем сви остали килограми морају предузети своју меру, Ле Гранд К. Овај цилиндар од легуре платине-иридијума налази се под три заштитна стаклена звона, у окружењу под контролом температуре и влаге, у сефу, заједно са шест званичних примерака, у подземном своду Севера.
"Ако бисте га бацили, још би био килограм, али маса целог света би се променила", каже Степхан Сцхламмингер, физичар са Националног института за стандарде и технологију (НИСТ) из Гаитхерсбурга у Мериленду.
ИПК излази из свог трезора сваких 40 година, када се инготов величине лоптице за голф, тачно килограм по дефиницији од 1889. године, користи за калибрацију примерака који се деле са земљама широм света. Али постоји проблем. У трезору са ИПК-ом је шест тимова или "сведока" - службене копије. Током година, о чему сведоче ретке прилике када су Ле Гранд К и његови сведоци мерени, маса ИПК је „нагло пала“.
Међународни прототип килограма (ИПК). (Фотографска услуга БИПМ) Већина сведока сада тежи нешто више - ствар је микрограма или милионити грам - од ИПК-а (иако су многе копије у почетку биле масовније). Могли бисте рећи да ИПК губи масу, само то не можете рећи, јер ИПК непроменљиво и непоколебљиво износи један килограм . Осим тога, физичари чак и не знају да ли ИПК дугорочно губи масу или добија масу, само што се споро креће због неприметних количина материјала који се сакупља у ваздуху, или се трља током вагања, или размазује на сребрнаста површина ИПК-а током једне од његових пажљивих купки.
Као што можете да замислите, овај минималан одлазак узрокује научницима много главобоље - а да не спомињемо индустрије које се ослањају на мала и прецизна мјерења масе, попут фармацеутских компанија.
"Тренутно је килограм дефинисан у односу на масу одређене ствари", каже Иан Робинсон из Националне физичке лабораторије (НПЛ) у Јужном Лондону. "А ако се та ствар уништи или промени или било шта друго, то је неспретно."
Једна од НИСТ-ових платина-иридијумских примерака ИПК-а, К92, са килограм масама од нехрђајућег челика у позадини. (Џенифер Лаурен Лее / НИСТ) Срећом, свјетски метролози имају рјешење: редефинирати килограм у смислу природне, универзалне константе. Већина јединица у Међународном систему јединица (СИ) су већ дефинисане према универзалним константама, попут мерача, који је званично дужина пређених брзином светлости у вакууму у 1 / 299, 792, 458-тој секунди. Наравно, ова се дефиниција ослања на другу, која је дефинисана као трајање 9, 192, 631, 770 периода специфичне фреквенције електромагнетног зрачења (микроталаси у овом случају) који узрокује прелазак спољног електрона цезијевог-133 атома (прелазак са квантног мерење „спин уп“ до „спин довн“ или обрнуто).
Али килограм, последња преостала јединица дефинисана артефактом, тврдоглаво се противио редефинисању - до сада. 16. новембра, на 26. састанку Генералне конференције о теговима и мерама, делегати из 60 држава чланица окупиће се у Севру како би гласали о редефинисању килограма према Планцковој константи - броју који повезује фреквенцију светлосног таласа са енергије фотона у том таласу. А према Ричарду Дејвису, физичару Међународног бироа за тежину и мере (БИПМ), „очекују значајну већину“.
(АЖУРИРАЊЕ: 20. маја 2019. године, промене у Међународном систему јединица званично су ступиле на снагу, укључујући нове дефиниције килограма, ампера, келвина и кртице.)
Макс Планк и Алберт Ајнштајн
1879. године ИПК је у Лондону бавила компанија племенитих метала Јохнсон Маттхеи, двадесетогодишњи Мак Планцк одбранио је тезу о другом закону термодинамике и рођен је Алберт Ајнштајн. Иако двојица научника то нису знали током својих живота, њихов заједнички рад на основној физици гравитације и квантној механици требао би поставити темеље за дефиницију килограма у 21. веку.
Па шта је Планцкова константа? „На фундаменталном нивоу, тешко је рећи“, каже Давис.
Планкова константа је врло мали број: 6, 62607015 к 10 -34, тачно, што ће бити званично дефинисано на састанку 16. новембра. 1900. године, Мак Планцк је израчунао број да стави моделе светлости које долазе од звезда, усклађујући енергију и температуру звезда са њиховим спектрима електромагнетног зрачења (колективно познато као зрачење црних тела). У то време су експериментални подаци сугерисали да енергија не тече слободно ни по једној вредности, већ је садржана у сноповима или квантима - по којима квантна механика носи име - и Планцку је било потребно да израчуна вредност за ове снопове како би одговарао његовим моделима зрачења црних тела.
Пет нобеловаца, с лева на десно: Валтхер Нерст, Алберт Еинстеин, Мак Планцк, Роберт Милликан и Мак вон Лауе, окупили су се на вечери коју је 1931. приредио вон Лауе. (Публиц Домаин) Пет година касније, Алберт Еинстеин објавио је своју теорију специјалне релативности, која би се изразила као чувена једнаџба Е = мц 2 (енергија је једнака маси пута брзини квадрата светлости, епифанија којој је енергија у основи везана у свим материја универзума). Такође је израчунао теоријску вредност једног, темељног квантна електромагнетна енергија - данас позната као фотон - што је резултирало односом Планцк-Ајнштајн, Е = х в . Једнаџба каже да је енергија фотона (Е) једнака Планцковој константи (х) пута фреквенцији електромагнетног зрачења ( в, што је грчки симбол ну, а не „в“).
„Знате да имате енергију фотона која је х в, али такође знате да имате енергију масе, која је мц 2 . [Дакле], Е = х в = мц 2 . Тамо можете видети како можете добити масу из х [Планцкова константа], в [таласна фреквенција] и ц [брзина светлости], "каже Давид Невелл, физичар из НИСТ-а.
Али ово није једино место на коме се Планцкова константа показује. Број је потребан за опис фотоелектричног ефекта на којем се заснивају соларне ћелије. Такође се користи у моделу атома Ниелс Бохра, па се чак појављује у Хеисенберговом принципу неизвесности.
„То је као да кажем, па, шта је са Пи?“ Каже Дејвис. „Шта је Пи? Па, то је обим круга подељен са пречником круга. Али онда се Пи појављује свуда у математици. Посвуда је. "
Кључ који повезује Планцкову константу са килограмом је његова јединица, јоуле-сецонд или Ј · с. Константа добија ову јединствену јединицу јер се енергија мери у џуловима, а фреквенција се мери у Хертз (Хз), или у циклусима у секунди. Јоуле је једнак килограму помноженом у квадрат квадратних метара подијељен с квадратима секунди (кг · м 2 / с 2 ), па се уз неколико паметних мјерења и израчуна може доћи до килограма.
Али пре него што убедите свет да промени дефиницију стандардне јединице масе, ваша мерења су боље најбоља икада направљена у историји науке. И како Невелл каже, "мјерити нешто апсолутно је тешко."
Мера за меру
Често узимамо здраво за готово да је секунда секунда или метар метар. Али у већини људске историје, такве мере времена, дужине и масе биле су прилично произвољне, дефинисане према ћудљивости локалних обичаја или владара. Једна од првих одредби да се национална мерења морају стандардизовати стигла је из Магна Царте 1215. године која каже:
„Нека у нашем краљевству постоји једна мера за вино и једна за алеју и једна мера за кукуруз, наиме„ лондонска четврт “; и једна ширина за крпе обојене, розе или халбергет, наиме две стапке унутар селвидгес-а. Нека буде исто с утезима као и са мјерама. "
Али након просветитељства, како су научници почели да одвајају физичка ограничења свемира, постало је очигледно да различити мерни стандарди представљају озбиљну препреку за напредак врсте. Научници су се проширили широм света у 18. и 19. веку, мерећи све, од тачног облика Земље до растојања до сунца - и сваки пут када би се немачки лахтар (око два метра, зависно од региона) морао упоређивати са енглеским двориште (које је такође варирало током већег дела), неизвесности и погрешне комуникације обилују.
Копија стандардног првог метра, запечаћена у темељу зграде у улици 36 руе де Ваугирард, Париз. (Кен Ецкерт / Викимедиа Цоммонс ЦЦ 4.0) Французи су коначно имали револуцију - не само политике, већ и мера. Како се 18. век ближио крају, процењује се да је Краљевина Француска имала око четврт милиона различитих јединица, због чега је све немогуће пратити. Позивајући Националну конститутивну скупштину, која је формирана током почетка Француске револуције, Француска академија наука поставила је да успостави нову јединицу дужине која би постала званична мера за земљу: мерач, дефинисан као један десет милиона растојања од Северног пола до Екватора.
Анкетна експедиција коју су предводили француски математичари и астрономи Јеан Баптисте Јосепх Деламбре и Пиерре Мецхаин је одредио удаљеност дела те дужине, који се протезао од Дункирка до Барселоне, како би израчунали нови метар. Анкетна мерења су завршена 1798. године, а нови стандард је убрзо усвојен у Француској.
Мерач је представљао основну мерну јединицу, дефинишући литар (1.000 кубних центиметара), па чак и килограм (маса једног литра воде). До 1875. године свет је био спреман да усвоји систем метричких података, а Метерском конвенцијом те године представници 17 земаља потписали су Метерски уговор, стварајући Међународни биро за тежину и мере и предвиђајући нове стандарде масе и дужине. ливено у легуру платине-иридијума, дефинишући метар и килограм у свету.
Али како је талас научника 20. века, попут Планка и Ајнштајна, почео да лупа и подиже њутонску структуру физике, откривајући нове законе међу пространством космоса и основама атома, систем мера морао је да буде ажуриран у складу са тим . До 1960. године објављен је Међународни систем јединица (СИ), а земље широм света основале су метеролошке институције за стално усавршавање службених дефиниција наших седам основних јединица мере: мерач (дужина), килограм (маса), други пут (време) ), ампер (електрична струја), келвин (температура), кртица (количина материје) и кандела (сјај).
Авогадро сфера чистог атома силицијума-28. Мерејући волумен сфере и запремину једног атома силицијума-28, метеоролози могу измерити масу једног атома у сфери, пружајући методу за израчунавање броја атома у молу, звану Авогадров број, који може користи се за израчунавање Планкове константе. (Фотографска услуга БИПМ) Из ових основних јединица могу се израчунати све остале јединице. Брзина се мери у метрима у секунди која се може претворити у мпх и друге брзине; волт се мери у смислу ампера струје и отпора у охима; а дефиниција дворишта сада је пропорционална 0, 9144 метра.
Данас, као и током 18. века, питање усавршавања таквих мерења је на првом месту научних способности. Иако редефиниција килограма вјероватно неће промијенити ваш свакодневни живот, крајњи ефекти дефинирања тачнијег сустава мјере често су распрострањени и дубоки.
Узмимо за пример другу. Од 1967. године дефиниција секунде темељи се на фреквенцији микроталасног ласера, а без ове прецизности ГПС технологија би била немогућа. Сваки ГПС сателит има атомски сат, критичан за исправку чињенице да време пролази бесконачно, али мерљиво спорије на нашим сателитима док круже око Земље великом брзином - ефекат који је предвидјела Еинстеинова теорија релативности. Без нове дефиниције, не бисмо могли исправити ове ситне делове секунде, а како су расли, ГПС мерења би одмицала све даље и даље, наравно, чинећи све од Гоогле Мапс до муниције вођене ГПС-ом ништа осим научне фантастике.
Однос између другог и ГПС-а открива темељно спајање метрологије и науке: унапређење истраживања захтева и омогућава нове мерне стандарде, а ти нови мерни стандарди заузврат омогућавају напреднија истраживања. Где ће овај циклус у коначници одвести нашу врсту није познато, али након смрти мерног шипка и напуштања другог, како је дефинисано делићем дневно, једно је јасно: ИПК је следећи до гиљотине.
Киббле Баланце
Биланс НИСТ-4 Киббле, којим управља Национални институт за стандарде и технологију. За разлику од ранијих Киббле вага, НИСТ-4 користи точкић за балансирање који ради попут ременице, а не као греда. Биланца је мерела Планцкову константу унутар несигурности од 13 делова по милијарди. (Џенифер Лаурен Лее / НИСТ) Физичари већ деценијама знају да се килограм може дефинисати у смислу Планцкове константе, али тек је недавно метрологија довољно напредовала да измери број са точном прецизношћу да би свет прихватио нову дефиницију. До 2005. године, група научника из НИСТ-а, НПЛ-а и БИПМ-а, коју Невелл назива „банда петорке“, почела је да покреће то питање. Њихов рад о овој теми насловљен је, Редефиниција килограма: одлука чије је време дошло .
"Сматрам то прекретницом", каже Невелл. "Било је врло провокативно - нервирало је људе."
Једна од кључних технологија за мерење константе Планцка која је идентификована у раду је ватна равнотежа, коју је Бриан Киббле први пут замислио у НПЛ-у 1975. (Након његове смрти 2016., ватни баланс је преименован у Киббле баланс у част Брајана Кибблеа.)
Киббле баланс је, на фундаменталном нивоу, еволуција технологије која датира више од 4.000 година: ваге равнотеже. Али уместо да важи предмет на другом да би их упоредио, равнотежа Киббле омогућава физичарима да одмере масу у односу на количину електромагнетне силе која је потребна да је подигне.
"Равнотежа делује пропуштањем струје кроз завојницу у јаком магнетном пољу, и то ствара силу, а ту силу можете користити да уравнотежите тежину масе", каже Иан Робинсон из НПЛ-а, који је радио са Бриан Киббле-ом на прва вага је била од 1976. године.
Вага делује у два режима. Први начин вагања или силе балансира масу са једнаком електромагнетском силом. Други режим, режим брзине или калибрације, користи мотор за померање завојнице између магнета док маса није на равнотежи, стварајући електрични напон који вам даје снагу магнетног поља изражену као меру електричне силе. Као резултат тога, сила масе у режиму вагања једнака је електричној сили која се генерише у режиму брзина.
Електрична сила се затим може израчунати као функција Планцкове константе захваљујући раду двојице нобеловских физичара, Брајана Јосепхсона и Клауса фон Клитзинга. Јосепхсон је 1962. године описао квантни електрични ефекат повезан са напоном, а вон Клитзинг је 1980. открио квантни ефекат отпора. Два открића омогућавају израчунавање електричне силе Киббле-ове равнотеже у смислу квантних мерења (користећи Планцкову константу), што заузврат, одговара маси од килограма.
Поред Киббле равнотеже, "банда од пет" папира говори о још једном начину израчунавања Планцкове константе - прављењем сфера готово чистог атома силицијума-28, најсавршеније округле предмете које је човечанство икада створило. Запремина и маса једног атома у сфери могу се мерити, што омогућава метролозима и хемичарима да прецизирају Авогадро константу (број ентитета је један мол), а из Авогадровог броја може се израчунати Планцк-ова помоћу већ познатих једначина.
„Потребна су вам два начина да се то учини тако да стекнете уверење да у једном методу не постоји скривени проблем“, каже Робинсон.
Бијела плоча на НИСТ-у објашњава како вага Киббле може изједначити механичку мјеру (тежина масе килограма) са електричном мјером (сила електричне струје која је потребна да задржи килограм, изражена као функција Планцкове константе). (Јаи Беннетт) Да би се редефинисао килограм, промена која ће се применити 20. маја 2019. године, Генералној конференцији за тежину и мере била су потребна најмање три експеримента како би се израчунала Планцкова константа до несигурности од највише 50 делова по милијарди, један од која мора израчунати вредност до несигурности од 20 делова на милијарду. Напори у међународној силиконској сфери постали су довољно прецизни да се постигне несигурност од само 10 делова на милијарду, а четири мерења Киббле равнотеже такође су произвела вредности у оквиру захтеване несигурности.
Као резултат свих ових мера, много више од килограма спрема се променити.
Нови међународни систем јединица
Више од редефинисања килограма, 26. састанак Генералне конференције о тежини и мерама (ЦГПМ) поставља фиксну вредност за Планцкову константу и, као резултат, омогућава највећу трансформацију Међународног система јединица од његовог оснивања 1960. године Раније се Планцкова константа непрестано мерила, упоредила са другим мерењима широм света, а списак нових вредности достављао се истраживачким институцијама сваких неколико година.
"Нико неће мерити константу Планка након што ово гласање прође, јер ће бити дефинисана његова вредност", каже Дејвис.
Поред Планцкове константе, константна вредност Авогадро ће бити постављена на фиксну вредност, као и елементарни набој ( е, набој једног протона) и троструку тачку воде (температура на којој вода може постојати као чврста супстанца, течност или гас, који треба да се дефинишу на 273, 16 степени Келвина или 0, 01 степена Ц).
Постављајући Планцкову константу као апсолутну вредност, научници се скрећу од конвенционалних механичких мерења и усвајају пакет квантних електричних мерења како би дефинисали наше основне јединице. Једном када је константа дефинисана, може се користити за израчунавање распона маса од атомског нивоа до космичког, остављајући иза себе потребу за скалирањем ИПК-а на мање мерљиве делове, или до огромних маса.
"Ако имате артефакт, само се у једном тренутку сидриш на скали", каже Сцхламмингер. "А основна константа не брине о скали."
Иан Робинсон са равнотежом Марк ИИ Киббле. Изграђен од стране Националне физичке лабораторије (НПЛ) у Великој Британији, Марк ИИ је касније прибављен од стране Националног савета за истраживање (НРЦ) Канаде, где је коришћен за мерење вредности Планцкове константе до несигурности од 9 делова по милијарди. (Љубазношћу НПЛ-а) Нова вредност за Планцкову константу такође мења дефиниције наших електричних јединица, као што је дефиниција ампера из 1948. године. Физичари су дуго користили Јосепхсонове и вон Клитзинг ефекте за прецизно израчунавање електричних вредности, али та мерења не могу бити део СИ док једна од њихових променљивих - Планкова константа - не буде фиксна вредност.
„Увек ми је рекло да бих морао да пребацим килограм, ако бих хтео да добијем волти СИ или свој СИ охм. Морао сам да прођем кроз механичку јединицу да бих добио своје електричне јединице “, каже Невелл. "То је изгледало врло 19. век, и било је."
Сада ће се електричне јединице користити за добијање килограма.
"Људи разговарају о, ох, то је редефиниција килограма, али мислим да ово заправо пропушта важно место", каже Сцхламмингер. "Вратићемо ове електричне јединице у СИ."
За све људе, за сва времена
Широм света постоји више од пола туцета килограма, а многе земље од Јужне Америке до Азије граде своје - јер једном када научници поседују, они имају алат за приступ килограму и многим другим основним јединицама и мерама дефинисаним у природа. Килограм више неће бити ограничен на трезор, где мало ко има привилегију да му икад приступи и сви се толико боје да га додирну да се не користи, већ једном у пола века.
„То значи да сада можемо да проширимо начин одређивања масе широм света“, каже Робинсон.
За научнике на чији рад ова промена утиче, нови Међународни систем јединица није ништа историјско.
"Још увијек се бринем да је ово све сан, а сутра се пробудим и то није тачно", каже Сцхламмингер. „Мислим да је ово завршетак лука о коме су људи почели да размишљају пре Француске револуције, а идеја је била да се мере за сва времена за све људе.“
Степхан Сцхламмингер објашњава равнотежу Киббле радним Лего моделом на Националном институту за стандарде и технологију (НИСТ) у Гаитхерсбургу у Мериленду. (Јаи Беннетт) "Ово је био један од најважнијих тренутака мог живота", каже Клаус вон Клитзинг са Института Мак Планцк, чија ће се константа зацементирати као фиксна вредност као резултат новог СИ. "Ово је предивно. Имамо обједињавање ових квантних јединица ... са новим јединицама СИ, и због тога је то сјајна ситуација. "
Овакве промене у нашим основним вредностима за описивање свемира се не догађају често, и тешко је замислити када ће се неко поновити. Бројило је редефинисано 1960., а потом поново 1984. године.
Друга је редефинисана 1967. "Сада је то била прилично револуционарна промена", каже Дејвис. "Људи су за вечност рекли време ротације Земље, и одједном смо се променили у вибрацију у атому цезијума."
Да ли је редефиниција другог темељнија промена у људском схватању него редефиниција килограма није за рећи, али, као и други, редефинисани килограм је несумњиво значајан тренутак у напредовању наше врсте.
"Решавање последњег артефакта ... то је историјска ствар", каже Дејвис. „Стандарди за мерење се заснивају на овим артефактима, заиста, од када неко зна. Ископавања времена из неолитика показују стандарде - стандардне дужине, стандардне масе - то су мали комадићи трунца или стене или тако нешто. И тако људи то раде већ хиљадама година, а ово је последње. "
СИ ће се поново променити, мада превасходно због смањења ионако бесконачне минималне несигурности, или преласка на другу таласну дужину светлости или хемијску меру која је све тако прецизнија. У будућности ћемо у СИ можда чак додати јединице за вредности за које још нисмо мислили да дефинишемо. Али више никада нећемо моћи да радимо оно што сада радимо, да оставимо иза себе разумевање наших предака и прихватимо нови систем мера.
