Тази седмица учените ще се срещнат, за да предефинират световните тегла
- От Джеймс Винсент
- на 13 ноември 2018 г. 9:05 ч
Актуализация, 20 май 2019 г., 10:00 ET: Тази статия първоначално е публикувана през ноември 2018 г. От 20 май 2019 г., Световния ден на метрологията, официално е приета новата дефиниция на килограма въз основа на константата на Планк. Останалата част от статията следва непроменена.
Почти всяко измерване на теглото, което някога сте правили, от надничане на везната за баня до измерване на брашно за рецепта, може да бъде проследено до само един обект: метален килограм от платина и иридий, който се намира под ключ подземен свод в Париж. Нарича се International Prototype Kilogram или IPK и от създаването си през 1889 г. той е стандартът, по който се определят тежестите в света. Но не за много по-дълго.
Копия от IPK се разпространяват по целия свят, като държавите след това създават свои собствени референтни тегла, възможно най-близки до оригинала. Те от своя страна се използват за калибриране на везни и тежести във всяка част от обществото, от лаборатории и фабрики до супермаркети и пекарни. И да, това включва Америка. Съединените щати използват килограми и унции вместо килограми, но и те са калибрирани с помощта на Международния прототип Килограм, точно както метричната система.
Но по-късно тази седмица, в петък, 16 ноември, се планира преврат в това международно министерство на тежестите. След като е служил в продължение на 129 години като световен стандарт, Международният прототип Kilogram (или Le Grand K, както е известен на местно ниво) ще бъде оттеглен. Грандовете на Международното бюро за теглилки и мерки, което регулира метричната система, ще се съберат във Версай и ще гласуват, за да заменят този физически артефакт с определение за килограм въз основа на фундаментална константа на природата.
Превключването няма да бъде забелязано от никой извън напредналата физическа лаборатория, но е важен повод за участващите. „Това е метрологичната комета на Халей“, казва Стефан Шламингер, физик от Националния институт за стандарти и технологии в САЩ (NIST), който е работил върху оборудването, използвано за предстоящата смяна. „Невероятно рядко се случва предефиниране от този мащаб.“
Мислете за това като за научен еквивалент на Индиана Джоунс, който разменя златен идол за торба с пясък. След предефинирането килограм ще остане килограм, но стойността му ще почива на далеч по-странни основи.
Стремежът да се определят мерните единици с помощта на константи на природата се връща към създаването на метричната система по време на Френската революция. По това време идеологията на liberté, égalité, fraternité беше възприета не само от революционерите, но и от учените. Метричната система е създадена с намерението да освободи обикновените мъж и жена от объркващите и противоречиви тежести и мерки на Ancien Régime. Това беше утопичен проект, чиито създатели си представяха, че обща система от теглилки и мерки ще обедини света, позволявайки свободен обмен на стоки и информация.
Но за да се гарантира, че тези нови единици са достъпни за всички, трябва да има нови определения. Една мерна единица, използвана във Франция по това време, е пиед дю Роа, или „крак на крака“. Името прави очевидно произхода на звеното, но също така и мястото му в политическа структура отгоре надолу. Революционерите искаха да отменят тази система и нейната власт върху обществото, а това означаваше да дефинират мерни единици с експерименти, които всеки можеше да повтори, вместо физически артефакти като референтните стълбове, използвани за измерване на изпъстрения дю Роа.
И така, килограмът първоначално е дефиниран като масата на кубичен дециметър вода (дециметър е десета от метър), докато самият метър е изчислен като част от разстоянието между Северния полюс и екватора. Участък от тази въображаема линия, минаваща през Европа, беше измерван старателно на ръка, инч по инч, в седемгодишно пътуване през континента. И през 1798 г. измервателният уред беше официално предефиниран като 1/10 000 000 от половината меридиан на Земята. Ако някоя държава се нуждаеше да създаде свой собствен метър стандарт, тя би могла да го измери сама.
„Тези определения бяха въведени по времето, когато революционерите искаха да създадат единици, които да се изсипват, да се изсипват - за всички хора, за всички времена“, д-р Мартин Милтън, директор на базираното в Париж Международно бюро на Тегла и мерки (или BIPM, както е известно от френските инициали), разказва The Verge.
През следващия век обаче, тъй като метричната система беше приета от повече нации и бяха добавени нови единици, учените започнаха да се притесняват, че светът не е достатъчен. Физикът Джеймс Клерк Максуел очертава формата на тези страхове през 1870 г., като предупреждава своите връстници, че „Земята може да се свие чрез охлаждане или може да се увеличи от слой метеорити, падащ върху нея“, променяйки формата и заедно с това дължината на метър.
Това предупреждение може да звучи абсурдно, но безпокойството на Максуел отразява основното значение на метрологията. Последователните мерни единици са в основата на научния метод. Без тях не можете надеждно да повторите експериментите и ако резултатите от вашите експерименти не са надеждни, тогава не е и вашето разбиране за света. Както лорд Келвин, британският учен, на когото е наречена единицата температура на метричната система, казва през 1883 г .: „Когато можете да измерите това, за което говорите, и да го изразите с цифри, вие знаете нещо за това.“ Ако не можете, не го правите.
Решението? Подобно на животни, бягащи от надигащите се наводнени води, метролозите търсели по-висока земя, гносеологично казано. Вместо да използват Земята като основа за определяне на единици, те решиха да използват константи на природата - числени или физически величини, за които се смята, че са непроменени в цялата Вселена. Тези константи формират основата на съвременната физика; толкова фундаментални за нашето разбиране за физическия свят, че им се дават еднобуквени кодови имена, като супершпиони на Вселената. Има G за гравитационната константа, c за скоростта на светлината и по-непознати мерки като h или константата на Планк, което е най-малкото действие, което фотон може да предприеме.
Именно измервателният уред беше първият, прикрепен към константа. През 1960 г. тя беше измерена с помощта на дължината на вълната на светлината, а след това, през 1983 г., на 17-ия конвент на BIPM (тази седмица ще бъде 26-и), му беше дадено сегашното определение като „дължината на пътя, изминат от светлината във вакуум по време на интервал от 1/299 792 458 от секундата. " Както винаги при тези предефиниции, целта не е да се промени самата единица, а да се приведе в нова реалност.
През последните няколко десетилетия шест от седемте единици на метричната система - метър, втори, ампер, Келвин, бенка и кандела - са претърпели същата трансформация. Сега остава само една единица, базирана на артефакти, килограмът и метролозите сърбят, за да се отърват от него.
„Докато определят килограма като артефакт - казва Шламингер, - не можем да кажем, че това е за всички хора, за всички времена. Това не е „за всички хора“, защото хората не могат да преправят IPK и не е „за всички времена“, защото е обект и всеки обект се променя. Никой не е неизменен. "
Le Grand K доказа това сам. Въпреки че килограмът е направен от една от най-стабилните сплави, познати на науката и лекувани с благоговение - той е седял необезпокояван, на едно и също място през почти целия си живот, обвит в тройка вакуумно затворени камбани - има също, необяснимо, отслабва.
По време на церемониалните претегляния, които се провеждат на всеки няколко десетилетия, когато референтни копия на Международния прототип Килограм се доставят от цял свят и в сравнение с техния отличен предшественик, IPK е установено, че е загубил около 50 микрограма маса, приблизително равна на една мигла. Разбира се, тъй като IPK е определението за килограм, той не може технически да загуби или да наддаде на тегло. Вместо това е по-точно да се каже, че останалият свят става малко по-тежък.
Точната причина за това несъответствие не е известна, но една теория е, че протоколът за обработка през годините може да е бил следван по-малко стриктно, което да доведе до замърсяване на IPK по някакъв начин. Директорът на BIPM Милтън предполага, че това е една от възможните причини и посочва факта, че масата на IPK се е променила между 40-те и 90-те години, но не оттогава, като доказателство. „Това, което знаем, е, че измерванията през последната ера, последните 30 години, изглежда са под добър контрол“, казва Милтън.
За метролозите тези колебания не са нищо повече от смущаващ гаф. Те не подкопават сериозно легитимността на международния метричен ред, но развалят атмосферата на непогрешима метрична точност. С предефинирането в петък, възрастта на физическите артефакти - и свързаните с това несъвършенства - ще останат завинаги. „Ще надхвърлим тази бъркотия“, казва Шламингер. „Ще базираме единици на тъканта на Вселената: на небесата, така да се каже.“
Небесата са чудесен шаблон за научни постижения, но не са лесно достъпни от Земята. Предефинирането на килограма с помощта на универсални константи е изтощителен, макар и предимно без забележки проект, включващ десетилетия изследвания от лаборатории по целия свят; плодовете на две Нобелови награди за квантова физика; и изграждането на някои от най-сложните машини, построени някога. Това не е малка задача, съкращаване на основите на реалността.
Крайният резултат от цялата тази упорита работа е инструмент, известен като баланс на Кибъл. Това е изобретено през 1975 г. от британския физик Брайън Кибъл и оттогава е оптимизирано, за да достигне нови нива на точност. Въпреки своите усложнения, везната Kibble работи като традиционен набор от везни или везни, точно като тези, които може да използвате за претегляне на хранителни стоки. Но докато тези везни обикновено претеглят една маса срещу друга, везната на Кибъл претегля масата срещу електромагнитна сила, която може да бъде измервана изключително точно.
Тази електромагнитна сила се генерира чрез намотка от жица, заобиколена от постоянни магнити. Тази настройка може да създаде два различни метода за претегляне. При първата пускате ток през намотката от проводник, за да генерирате електромагнитно издърпване. Във втория физически премествате намотката нагоре-надолу като бутало, което има същия ефект. Поради редица скорошни открития (включително тези Нобелови награди, които споменахме), можем да измерим някои от силите, участващи в двата режима на претегляне, с невероятна точност. И чрез комбиниране на тези знания можем да измерим масата от едната страна на везната на Кибъл, използвайки константата на Планк. Това е, което позволява на учените да създадат нова дефиниция за килограма: измерване на основите на физическия свят до най-малкото възможно физическо действие.
Тъй като комбинацията от различни концепции в теоретичната физика, балансът на Кибъл е впечатляващо постижение. Но като инженерен проект; произведението от седмици, месеци и години в лабораторията, по-подходящото описание изглежда "изтощително".
Досега само две лаборатории са успели да създадат везна Kibble, която може да претегли масата с необходимата точност, за да определи килограм. Единият се управлява от Националния изследователски съвет в Канада, а другият се управлява от NIST в САЩ. Техните баланси са толкова деликатни, че трябва да се държат в запечатани вакууми. Учените дори трябва да измерват локалното гравитационно поле на помещението, в което работят, за да отчетат всякакви вариации, преди да могат да бъдат използвани. Хао Фанг, който ръководи усилията на BIPM в тази област, и Франк Биелса, който работи с нея, сравняват процеса с провеждането на дузина експерименти едновременно.
„Трябва да работите с ограниченията на много отделни полета едновременно“, казва Биелса. „Имате оптика; лазерна интерферометрия за измерване на дължина; електрическа метрология за измерване на точни токове и напрежения; трябва да определите гравитационното поле в стаята, в която работите, и така нататък. " Подреждането на всички тези променливи, за да се извърши едно измерване, е акт на търпеливи умения, като Одисей, който изстрелва стрела през дупките на дузина глави на брадви в „Одисеята“. Но в този случай подвигът не се извършва от отделно лице, а от цяла общност, всички теглящи лъка заедно.
Действителната смяна - когато лабораториите, които могат да започнат да правят свои собствени измервания на килограма, използвайки баланса на Kibble - ще дойде едва през май следващата година, но конференцията тази седмица е празничната коронация. Промяната ще засегне и не само теглото. Тъй като в момента други метрични единици са дефинирани с помощта на килограм, след като дефиницията му се промени, тяхната също ще трябва да бъде актуализирана. Общо на четири единици ще бъдат дадени нови определения: килограм, ампер, келвин и бенка.
Съответно за участниците тази седмица е важна. Дори Милтън, който е толкова сдържан, колкото бихте могли да очаквате да бъде ръководителят на международните измервания („Емоционален ли съм от това? Не, не наистина“), признава, че атмосферата в петък ще бъде „оправдано ликуваща“.
Все още има окончателно гласуване, което ще бъде гласувано от делегати от различни държави от управителния орган на BIPM, Генералната конференция за теглилките и мерките, но участниците казват, че това е почти свършена сделка. Окончателното гласуване ще се проведе във Версай в петък и след започване на тържествата.
„Аз лично не вярвам, не мога да повярвам, че това наистина се случва“, казва Шламингер. „Ако това се случи, има нещо в живота ми, което всъщност съм завършил. Започвате много неща в живота, но всъщност колко трябва да завършите? “
Но това не е краят на метрологията. Това е наука, която никога не може да стои на едно място. Когато през 1799 г. Наполеон Бонапарт беше представен с международния прототип, той заяви: „Завоеванията ще идват и си отиват, но тази работа ще продължи.“ Той беше само отчасти прав. Измервателният уред като единица е издържал, но платиненият стандарт, който е предаден на Бонапарт, не.
Седемте единици от метричната система и техните основни константи:
- Метър - дължина. Изминатото разстояние от светлина във вакуум за 1/299,792,458 секунди.
- Второ - време. Точно 9 192 631 770 цикъла на излъчване на атом цезий-133.
- Килограм - маса. Константата на Планк, разделена на 6,626,070,15 × 10−34 m − 2s.
- Къртица - количество вещество. Константа на Авогадро или 6,022,140,76 × 1023 елементарни единици.
- Кандела - светлинен интензитет. Източник на светлина с монохроматично излъчване с честотна честота 540 × 1012 Hz и интензитет на излъчване 1/683 вата на стерадиан.
- Келвин - температура. Константа на Болцман или промяна в топлинната енергия от 1,380 649 × 10-23 джаула.
- Ампер - текущ. Равен на потока от 1/1.602 176 634 × 10−19 елементарни заряда в секунда.
А за някои дори дефинирането на мерни единици с помощта на естествени константи не изпълнява напълно онази водеща мантра на метрологията: „За всички хора, за всички времена.“ В този момент само две лаборатории са в състояние правилно да разполагат с баланс на Kibble, като около половин дузина други работят по проблема. Достоверна критика е тогава да се каже, че тази зависимост от технологията премахва мерните единици от публичната собственост точно колкото използването на крака на краля.
Това има потенциал да предизвика триене и разстройство, точно както в миналото. Робърт П. Крийз, професор по философ в университета Стони Брук и автор на книга за измервателни системи, отбелязва, че в исторически план използването на артефакти за мерни единици е довело до „въпроси за властта и властта“. Ако контролирате артефакта, вие управлявате единицата, а заедно с нея и парче реалност. Крийз казва на The Verge, че въпреки че използването на естествени константи изглежда заобикаля този проблем, можете също така да твърдите, че той „го преписва, като прави достъпа до стандартите зависим от водещата технология и тези, които го контролират“.
Това става въпрос на доверие. „Метрологията е нещо като черна кутия“, казва Крейз. „Метролозите се доверяват на черната кутия, защото знаят как работи това, което е вътре. Неметролозите трябва да се доверят на черната кутия отвън. " Не помага, че новото определение е „неразбираемо“ за обикновения човек, добавя той.
В епоха, в която експертните познания и научният консенсус се подиграват в името на „здравия разум“ и демагогията, идеята за недоверие, нарастващо като гниене в метричната система, не е напълно пресилена. Дори константите на Вселената могат да се окажат недостатъчна основа за мерни единици, ако общественото доверие в тях се провали.
За метролозите това са предимно теоретични притеснения. BIPM празнува сложността на своята работа като добро само по себе си; такъв, който се потвърждава от всяко измерване, направено с помощта на неговите изследвания. И само защото метричната система се основава на някои от най-сложните идеи на съвременната физика, не означава, че те не могат да бъдат оценени.
След предстоящото предефиниране, например, нашите най-основни единици, тегло и дължина, ще бъдат получени от двете основни теории на физиката: квантовата механика и специалната теория на относителността. Първият ни даде константата на Планк, която ще се използва за определяне на килограма; и последното ни даде скоростта на светлината, която вече определя брояча. Както отбелязва Шламингер: „В това има красота и симетрия.“
А в BIPM има още измервания. Милтън разклаща списък с другите задължения на агенцията, от работа по химия, която лежи в основата на чистотата на лекарствата и храната, до поддържането на универсалното координирано време, което страните по света използват, за да настроят часовника си. В глобално общество, казва той, където нуждите на индустрията винаги се променят и учените винаги разширяват границите на човешкото знание, дисциплината на измерване никога няма да остарее, нито може да си позволи да стои неподвижно.
„Това е много, много практична област, в която работим, и не спира да расте“, казва Милтън. - Това нещо в центъра, тези базови единици? Това е връх Еверест. Но има много други планини за изкачване. “