Låst i et hvælv, der kræver tre nøgler til at åbne, i byen Sèvres lige sydvest for Paris, er der et kilogram. Det er faktisk The Kilogram, den internationale prototype af Kilogram (IPK), det kilogram, som alle andre kg skal tage deres mål, Le Grand K. Denne cylinder af platin-iridiumlegering sidder under tre beskyttende glasklokker, i et temperatur- og fugtighedsstyret miljø, i et pengeskab sammen med seks officielle kopier, i den underjordiske hvælving i Sèvres.
”Hvis du skulle droppe det, ville det stadig være et kilogram, men massen af hele verden ville ændre sig, ” siger Stephan Schlamminger, en fysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland.
IPK fremkommer først fra sit hvælvelse hvert 40. år, når gødeboldstørrelsen, nøjagtigt et kilogram pr. Definition siden 1889, bruges til at kalibrere kopier, der deles med lande over hele verden. Men der er et problem. I valvet med IPK er seks témoins eller ”vidner” - de officielle kopier. I årenes løb, som det fremgår af de sjældne tilfælde, hvor Le Grand K og dets vidner er blevet målt, har IPK's masse "drevet".
Den internationale prototype af kilogram (IPK). (Foto med tilladelse fra BIPM) De fleste af vidnerne vejer nu lidt mere - et spørgsmål om mikrogram eller milliondele af et gram - end IPK (selvom mange af kopierne var mere massive til at begynde med). Man kan sige, at IPK mister masse, kun det kan man ikke sige, fordi IPK er uendeligt og urimeligt et kilogram . Desuden ved fysikere ikke engang, om IPK mister masse eller vinder masse i det lange løb, bare at det langsomt driver på grund af umærkelige mængder materiale, der aggregeres fra luften, eller gnides af under en vejning eller udtværet på IPKs sølvfarvede overflade under et af sine omhyggelige bade.
Som du kan forestille dig, forårsager dette minutsdrev forskere en masse hovedpine - for ikke at nævne industrier, der er afhængige af små og præcise massemålinger, såsom farmaceutiske virksomheder.
”I øjeblikket defineres kilogramet ud fra massen af en bestemt ting, ” siger Ian Robinson fra National Physical Laboratory (NPL) i Syd-London. "Og hvis den ting ødelægges eller ændres eller hvad som helst, er det akavet."
En af NISTs platin-iridium-kopier af IPK, K92, med masser af rustfrit stål i baggrunden. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Heldigvis har verdens metrologer en løsning: omdefinerer kilogramet i form af en naturlig, universel konstant. De fleste af enhederne i det internationale system af enheder (SI) er allerede defineret i henhold til universelle konstanter, såsom måleren, der officielt er den længde, der kørte med lysets hastighed i et vakuum i 1 / 299.792, 458. sekund. Naturligvis er denne definition afhængig af den anden, der er defineret som varigheden på 9.192.631.770 perioder med en specifik frekvens af elektromagnetisk stråling (mikrobølger i dette tilfælde), der får den ydre elektron i et cæsium-133 atom til at overgå (skifte fra et kvante måling af “spin up” til “spin down” eller vice versa).
Men kilogrammet, den sidste resterende enhed, der er defineret ved en artefakt, har stædigt modstå omdefinering - indtil nu. Den 16. november, på det 26. møde på generalkonferencen om vægte og målinger, vil delegater fra 60 medlemslande samles i Sèvres for at stemme for at omdefinere kilogramet i henhold til Plancks konstant - et tal, der relaterer hyppigheden af en bølge af lys til en fotons energi i den bølge. Og ifølge Richard Davis, en fysiker ved Det Internationale Bureau for Vægter og Mål (BIPM), "forventer de et stort flertal."
(OPDATERING: Den 20. maj 2019 trådte ændringerne i det internationale system af enheder officielt i kraft, herunder nye definitioner for kilogram, ampere, kelvin og mol.)
Max Planck og Albert Einstein
I 1879 blev IPK støbt af ædelmetalselskabet Johnson Matthey i London, en 20-årig Max Planck forsvarede sin afhandling Om den anden lov om termodynamik, og Albert Einstein blev født. Selvom de to videnskabsmænd ikke vidste det i løbet af deres liv, ville deres kollektive arbejde med den grundlæggende fysik af tyngdekraft og kvantemekanik lægge grundlaget for en definition af det 21. århundrede af kilogram.
Så hvad er Plancks konstante? ”På et grundlæggende niveau er det svært at sige, ” siger Davis.
Plancks konstant er et meget lille antal: 6.62607015 x 10 -34, for at være nøjagtig, som det officielt vil blive defineret på mødet den 16. november. I 1900 beregnet Max Planck antallet til at passe til modeller af lys, der stammer fra stjerner, der matchede stjernenes energi og temperatur til deres spektrum af elektromagnetisk stråling (samlet kendt som blackbody-stråling). På det tidspunkt antydede eksperimentelle data, at energi ikke frit flyder til nogen værdi, men snarere indeholdt i bundter eller kvanta - fra hvilken kvantemekanik tager sit navn - og Planck havde brug for at beregne en værdi for disse bundter, så de passer til hans blackbody-strålingsmodeller.
Fem nobelpristagere, fra venstre til højre: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan og Max von Laue, samlet til en middag hos von Laue i 1931. (Public Domain) Fem år senere offentliggjorde Albert Einstein sin teori om særlig relativitet, som ville komme til at udtrykkes som den berømte ligning E = mc 2 (energi er lig med masse gange hastigheden af lyset i kvadratet, en epifanie om, at energi er grundlæggende bundet op i alle spørgsmål om universet). Han beregnet også den teoretiske værdi af et enkelt, grundlæggende kvanteelektromagnetisk energi - nu kendt som en foton - som resulterede i Planck-Einstein-forholdet, E = h v . Ligningen siger, at energien fra en foton (E) er lig Plancks konstante (h) gange frekvensen af elektromagnetisk stråling ( v, som er det græske symbol nu snarere end et "v").
”Du ved, at du har energien i en foton, som er h v, men du ved også, at du har energien i en masse, som er mc 2 . [Så], E = h v = mc 2 . Lige der kan du se, hvordan du kan få en masse fra h [Plancks konstante], v [bølgefrekvensen] og c [lysets hastighed], ”siger David Newell, fysiker ved NIST.
Men dette er ikke det eneste sted, som Plancks konstante viser sig. Nummeret er nødvendigt for at beskrive den fotoelektriske effekt, som solceller er baseret på. Det bruges også i Niels Bohrs atommodel, og det fremgår endda i Heisenberg-usikkerhedsprincippet.
”Det er som at sige, hvad med Pi?” Siger Davis. “Hvad er Pi? Nå, det er cirklens omkreds divideret med cirkelens diameter. Men så dukker Pi overalt i matematik. Det er overalt. ”
Den nøgle, der forbinder Plancks konstante med kiloet er dens enhed, joule-sekundet eller J · s. Konstanten får denne unikke enhed, fordi energi måles i joules, og frekvensen måles i Hertz (Hz) eller cyklusser pr. Sekund. En joule er lig med et kilogram ganget med kvadratmeter divideret med kvadrat sekunder (kg · m 2 / s 2 ), så med et par smarte målinger og beregninger kan man ankomme til kilogram.
Men før du kan overbevise verden om at ændre definitionen af standardmasseenheden, skal dine målinger bedre være den bedste nogensinde taget i videnskabshistorien. Og som Newell udtrykker det, "at måle noget absolut er forbandet hårdt."
Mål for mål
Vi tager ofte for givet, at et sekund er et sekund, eller en meter en meter. Men for størstedelen af den menneskelige historie var sådanne målinger af tid, længde og masse temmelig vilkårlige, defineret i henhold til de lune af lokale skikke eller herskere. Et af de første dekret om, at de nationale målinger skal standardiseres, kom fra Magna Carta i 1215, som siger:
”Lad der være en foranstaltning for vin i hele vores rige og en måling for ale og en måling for majs, nemlig” London-kvarteret ”; og en bredde for klæder, hvad enten de er farvet, russet eller grums, nemlig to eller inden for selverne. Lad det være det samme med vægte som med mål. ”
Men efter oplysningen, da videnskabsfolk begyndte at fjerne de fysiske begrænsninger i universet, blev det klart, at forskellige målestandarder udgjorde et alvorligt hinder for artenes fremskridt. Forskere spredte sig over hele kloden i det 18. og 19. århundrede og målte alt fra den nøjagtige form af Jorden til afstanden til solen - og hver gang en tysk lachter (ca. to meter, afhængigt af region) måtte sammenlignes med en engelsk gård (som også varierede for det meste af sin eksistens), overflod der usikkerheder og fejlkommunikation.
En kopi af den første meter standard, forseglet i grundlaget for en bygning i 36 rue de Vaugirard, Paris. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Franskmændene havde endelig en revolution - ikke kun af politik, men også af foranstaltninger. Da det 18. århundrede afsluttede, skønnes Kongeriget Frankrig at have haft ca. kvartal millioner forskellige enheder, hvilket gjorde det umuligt at holde styr på dem alle. Opfordret til den nationale konstituerende forsamling, der dannede sig i starten af den franske revolution, forsøgte det franske akademi for videnskaber at etablere en ny længdeenhed, der ville blive den officielle foranstaltning for landet: måleren, defineret som en ti-million. af afstanden fra nordpolen til ækvator.
En undersøgelsesekspedition ledet af franske matematikere og astronomer Jean Baptiste Joseph Delambre og Pierre Méchain triangulerede afstanden til en del af denne længde, der strækkede sig fra Dunkirk til Barcelona for at beregne den nye måler. Undersøgelsesmålingerne blev afsluttet i 1798, og den nye standard blev snart vedtaget i Frankrig.
Måleren kom til at repræsentere en grundlæggende måleenhed, der definerede liter (1.000 kubikcentimeter) og endda kilogram (massen på en liter vand). I 1875 var verden klar til at vedtage det metriske system, og i det årets meterkonvention så repræsentanter for 17 nationer underskrive Målertraktaten, skabe Det Internationale Bureau for Vægte og Mål og sørge for, at nye masse- og længde-standarder skulle være støbes i platin-iridiumlegering og definerer måleren og kiloet for verden.
Men da en bølge af det 20. århundrede videnskabsmænd som Planck og Einstein begyndte at pirke og stikke efter fysikens Newtonske struktur og opdage nye love blandt kosmos 'vidstrækning og atomens grundlæggende elementer, måtte målesystemet opdateres i overensstemmelse hermed . I 1960 blev International System of Units (SI) offentliggjort, og lande over hele verden etablerede metrologiske institutioner til kontinuerligt at forfine de officielle definitioner af vores syv basisenheder: måleren (længde), kilogram (masse), anden gang ), ampere (elektrisk strøm), kelvin (temperatur), mol (stofmængde) og candela (lysstyrke).
En Avogadro-sfære med rent silicium-28 atomer. Ved at måle sfærens volumen og volumenet for et enkelt silicium-28 atom kan meteorologer måle massen af et enkelt atom i sfæren ved at tilvejebringe en metode til at beregne antallet af atomer i en mol, kaldet Avogadros antal, som kan bruges til at beregne Plancks konstant. (Foto med tilladelse fra BIPM) Fra disse basisenheder kan alle andre enheder beregnes. Hastighed måles i meter per sekund, som kan konverteres til mph og andre hastigheder; volt måles med hensyn til strømforstærkere og modstand i ohm; og definitionen af gården er nu proportional med 0, 9144 meter.
Ligesom i det 18. århundrede er spørgsmålet om raffinering af sådanne målinger i forkant af den videnskabelige kapacitet. Selvom det ikke er sandsynligt, at en omdefinering af kilogramet ændrer din daglige liv, er de ultimative virkninger af at definere et mere nøjagtigt målesystem ofte udbredt og dybtgående.
Tag for eksempel det andet. Siden 1967 har definitionen af et sekund været baseret på frekvensen af en mikrobølgelaser, og uden denne præcision ville GPS-teknologi være umulig. Hver GPS-satellit har et atomur, der er kritisk for at korrigere for det faktum, at tiden går uendeligt, men målbart langsommere på vores satellitter, når de kredser rundt om Jorden i høje hastigheder - en effekt, der er forudsagt af Einsteins relativitetsteori. Uden den nye definition kunne vi ikke korrigere for disse små brøkdele af et sekund, og når de voksede, ville GPS-målinger køre længere og længere væk fra kursen, hvilket gjorde alt fra Google Maps til GPS-guidede ammunition intet andet end science fiction.
Forholdet mellem det andet og GPS afslører den grundlæggende sammenfletning af metrologi og videnskab: at fremme forskning kræver og tillader nye målestandarder, og disse nye målestandarder giver igen mulighed for mere avanceret forskning. Hvor denne cyklus i sidste ende vil tage vores art er ukendt, men efter døden af målerbjælken og afgivelse af den anden som defineret ved en brøkdel af en dag, er en ting klar: IPK er ved siden af guillotinen.
Kibble-saldoen
NIST-4 Kibble-saldo, der drives af National Institute of Standards and Technology. I modsætning til tidligere Kibble-balancer bruger NIST-4 et balancehjul, der fungerer som en remskive snarere end en bjælke. Balancen målte Plancks konstante til inden for en usikkerhed på 13 dele pr. Milliard. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Fysikere har vidst i årtier, at kilogrammet kunne defineres med hensyn til Plancks konstante, men det var først for nylig, at metrologien var fremskredet nok til at måle antallet med en sådan præcision, at verden ville acceptere en ny definition. I 2005 begyndte en gruppe forskere fra NIST, NPL og BIPM, som Newell kalder ”banden af fem”, at presse spørgsmålet. Deres papir om sagen er titlen, Redefinition of the kilogram: en beslutning, hvis tid er kommet .
”Jeg betragter det som en milepæl-papir, ” siger Newell. ”Det var meget provokerende - det irriterede folk.”
En af de vigtigste teknologier til at måle Planck-konstanten, der er identificeret i papiret, er en wattbalance, først konceptualiseret af Bryan Kibble på NPL i 1975. (Efter hans død i 2016 blev wattbalancen omdøbt til Kibble-saldoen til Bryan Kibbles ære.)
Kibble-balancen er på et grundlæggende niveau udviklingen af en teknologi, der stammer tilbage mere end 4.000 år: balance skalaer. Men i stedet for at veje et objekt mod en anden for at sammenligne de to, giver en Kibble-balance fysikere mulighed for at veje en masse mod den mængde elektromagnetisk kraft, der kræves for at holde den op.
"Balancen fungerer ved at føre en strøm gennem en spole i et stærkt magnetfelt, og det genererer en kraft, og du kan bruge den kraft til at afbalancere vægten af en masse, " siger Ian Robinson fra NPL, der arbejdede med Bryan Kibble på den første wattbalance fra 1976 og fremefter.
Balancen fungerer i to tilstande. Den første vejnings- eller krafttilstand balancerer en masse mod en lige stor elektromagnetisk kraft. Den anden tilstand, hastighed eller kalibreringstilstand, bruger en motor til at flytte spolen mellem magneterne, mens massen ikke er i balance, hvilket genererer en elektrisk spænding, der giver dig styrken i magnetfeltet udtrykt som et mål for elektrisk kraft. Som et resultat er massens kraft i vejningstilstand lig med den elektriske kraft, der genereres i hastighedstilstand.
Den elektriske kraft kan derefter beregnes som en funktion af Plancks konstante takket være arbejdet med to nobelvindende fysikere, Brian Josephson og Klaus von Klitzing. I 1962 beskrev Josephson en elektrisk kvanteeffekt relateret til spænding, og von Klitzing afslørede en kvanteeffekt af modstand i 1980. De to opdagelser gør det muligt at beregne den elektriske kraft i Kibble-balancen med hensyn til kvantemålinger (ved hjælp af Plancks konstant), hvilket igen svarer til massen på et kilogram.
Ud over Kibble-balancen adresserer "banden med fem" -papir en anden måde at beregne Plancks konstante - ved at fremstille kugler af praktisk talt rene silicium-28 atomer, de mest perfekt runde objekter nogensinde skabt af menneskeheden. Volumenet og massen af et enkelt atom i sfæren kan måles, hvilket giver metrologer og kemikere mulighed for at forfine Avogadro-konstanten (antallet af enheder er en mol), og ud fra Avogadros antal kan man beregne Plancks via allerede kendte ligninger.
”Du har brug for to måder at gøre dette på, så du får tillid til, at der ikke er et skjult problem i en enkelt metode, ” siger Robinson.
En hvid tavle på NIST forklarer, hvordan en Kibble-balance kan sidestille et mekanisk mål (vægten af en kilogram masse) til et elektrisk mål (kraften i elektrisk strøm, der kræves for at holde kiloet udtrykt som en funktion af Plancks konstant). (Jay Bennett) For at omdefinere kilogramet, en ændring, der vil blive implimenteret den 20. maj 2019, krævede generalkonferencen for vægte og målinger mindst tre eksperimenter for at beregne Planck-konstanten til en usikkerhed på højst 50 dele pr. Milliard, en af som skal beregne værdien til inden for en usikkerhed på 20 dele pr. milliard. Den internationale siliciumkugleindsats er blevet præcis nok til at opnå en usikkerhed på kun 10 dele pr. Milliard, og fire Kibble-balancemålinger producerede også værdier inden for den krævede usikkerhed.
Og som et resultat af alle disse foranstaltninger er meget mere end kilogramet ved at ændre sig.
Det nye internationale enhedssystem
Mere end omdefineringen af kilogrammet sætter det 26. møde på General Conference on Vægter og målinger (CGPM) en fast værdi for Planck-konstanten, og som et resultat vedtager den største omdannelse af det internationale system af enheder siden starten i 1960 Tidligere blev Plancks konstante målt kontinuerligt, gennemsnitligt med andre målinger over hele verden, og der blev leveret en liste over nye værdier til forskningsinstitutioner hvert par år.
"Ingen vil måle Planck konstant, når denne [afstemning] er gået, fordi dens værdi vil være defineret, " siger Davis.
Foruden Planck-konstanten indstilles Avogadro-konstanten til en fast værdi, ligesom elementærladningen ( e, ladningen af en proton), og tredobbeltpunktet for vand (temperaturen, hvormed vand kan eksistere som et fast stof, væske eller gas, der skal defineres som 273, 16 grader Kelvin eller 0, 01 grader C).
Ved at indstille Planck-konstanten som en absolut værdi vender forskere sig fra konventionelle mekaniske målinger og vedtager en række kvanteelektriske målinger for at definere vores grundlæggende enheder. Når konstanten er defineret, kan den bruges til at beregne et område af masser fra atomniveauet til det kosmiske, hvilket efterlader behovet for at skalere IPK ned i mindre målelige dele eller op til enorme masser.
”Hvis du har en artefakt, forankrer du kun din skala på et tidspunkt, ” siger Schlamminger. "Og en grundlæggende konstant er ligeglad med skalaen."
Ian Robinson med Mark II Kibble-balance. Bygget af National Physical Laboratory (NPL) i Storbritannien blev Mark II senere erhvervet af National Research Council (NRC) i Canada, hvor det blev brugt til at måle en værdi af Plancks konstant til en usikkerhed på 9 dele pr. Milliard. (Billedet er tilladt af NPL) Den nye værdi for Plancks konstante ændrer også definitionerne af vores elektriske enheder, såsom 1948-definitionen af amperen. Fysikere har længe brugt Josephson og von Klitzing-effekterne til at beregne elektriske værdier med præcision, men disse målinger kan ikke være en del af SI, før en af deres variabler - Planck-konstanten - er en fast værdi.
”Det er altid rasende over mig, at hvis jeg ville få min SI-volt eller min SI-ohm, var jeg nødt til at gå igennem kiloet. Jeg måtte gennem en mekanisk enhed for at hente mine elektriske enheder, ”siger Newell. ”Det virkede meget fra det 19. århundrede, og det var det.”
Nu bruges de elektriske enheder til at få kg.
”Folk taler om, åh, det er omdefinering af kilogram, men jeg tror, at dette faktisk går glip af et vigtigt punkt, ” siger Schlamminger. ”Vi kommer tilbage til disse elektriske enheder i SI.”
For alle mennesker, til enhver tid
Der er mere end et halvt dusin Kibble-balancer rundt omkring i verden, og mange lande fra Sydamerika til Asien bygger deres egne - fordi når forskere først har en, har de værktøjet til at få adgang til kilogrammet og mange andre grundlæggende enheder og foranstaltninger defineret af natur. Kilometret begrænses ikke længere til et hvælv, hvor få har privilegiet at nogensinde få adgang til det, og alle er så bange for at røre ved det, at det ikke bruges, men en gang hvert halve århundrede.
”Det betyder nu, hvad vi kan gøre, er at sprede tilstanden til bestemmelse af masse rundt om i verden, ” siger Robinson.
For de videnskabsfolk, hvis arbejde denne ændring påvirker, er det nye internationale system af enheder intet mindre end en historisk begivenhed.
”Jeg er stadig bekymret for, at alt dette er en drøm, og i morgen vågner jeg op, og det er ikke sandt, ” siger Schlamminger. ”Jeg tror, dette er ved at afslutte den bue, som folk begyndte at tænke på før den franske revolution, og tanken var at have målinger til alle tider for alle mennesker.”
Stephan Schlamminger forklarer Kibble-balancen med en fungerende Lego-model ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland. (Jay Bennett) ”Dette har været et af højdepunkterne i mit liv, ” siger Klaus von Klitzing fra Max Planck Institute, hvis egen konstant vil blive cementeret som en fast værdi som et resultat af den nye SI. ”Dette er vidunderligt. Vi har foreningen af disse kvanteenheder ... med de nye SI-enheder, og derfor er dette en vidunderlig situation. ”
Sådanne ændringer i vores grundlæggende værdier for at beskrive universet følger ikke ofte, og det er svært at forestille sig, hvornår man skal forekomme igen. Måleren blev omdefineret i 1960 og derefter igen i 1984.
Den anden blev omdefineret i 1967. ”Nu var det en ret revolutionerende ændring, ” siger Davis. ”Folk for evigt havde fortalt tiden ved Jordens rotation, og pludselig skiftede vi til en vibration i et atom af cæsium.”
Hvorvidt omdefineringen af den anden var en mere grundlæggende ændring i menneskelig forståelse end omdefineringen af kilogram er ikke at sige, men ligesom den anden er det omdefinerede kilogram utvivlsomt et bemærkelsesværdigt øjeblik i fremme af vores arter.
”At slippe af med den sidste artefakt… det er den historiske ting, ” siger Davis. ”Målestandarder er virkelig baseret på disse artefakter, da nogen ved. Udgravninger i neolitisk tid viser standarder - standardlængder, standardmasser - der er små stykker chert eller klippe eller noget. Og det er sådan, folk har gjort det i årtusinder, og dette er den sidste. ”
SI vil ændre sig igen, men først og fremmest som et spørgsmål om at reducere allerede uendelige usikkerheder eller skifte til en anden bølgelængde af lys eller kemisk mål, der er altid så lidt mere præcis. I fremtiden kan vi endda tilføje enheder til SI for værdier, som vi endnu ikke har tænkt at definere. Men vi kan måske aldrig igen gøre det, vi gør nu, for at efterlade vores forfædres forståelse og omfavne et nyt målesystem.
