Включва сложна наука и красиво проста философия.

килограмов

  • От Брайън Ресник
  • на 16 ноември 2018 г. 14:55 ч
  • Снимки от Брайън Ресник

Четиридесет фута под земята в Гейтерсбърг, Мериленд, в ярко бяла лаборатория, която изисква влизане на три отделни ключа, Съединените щати съхраняват ценна колекция от малки, лъскави метални цилиндри, които буквално определят масата на всичко в тази страна.

Те са красиви, с огледални покрития и трябва да устоя на желанието да ги докосна. Ако ги докосна, бих могъл да ги замърся с масло от кожата си и потенциално да увелича теглото им. Патрик Абът, „пазителят на килограма“ тук в Националните институти по стандарти и технологии (NIST), ми казва, че това би било много лошо.

В момента килограмът има много проста дефиниция: Това е масата на платина-иридиева сплав, която се помещава в Международното бюро за теглилки и мерки в Севр, Франция от 1889 г. Нарича се Международен прототип Килограм (известен още като Big K, или Le Grand K) и има много копия по целия свят - включително седем в NIST в Гейтерсбърг - които се използват за калибриране на везни и за да се гарантира, че целият свят е на една система за измерване.

Ето едно от копията в NIST, наречено K4, изковано от същото парче метал, от което е създадено Big K през 19 век.

Погледнете го добре. Защото много скоро този 129-годишен стандарт за килограма ще се промени.

В петък учени от цял ​​свят се срещнаха на Генералната конференция за теглилките и мерките във Версай, Франция и гласуваха за промяна на определението за килограм, обвързвайки го с универсална константа в природата. Промяната ще влезе в сила на 20 май 2019 г.

Важна причина за промяната е, че Big K не е постоянна. От създаването си е загубил около 50 микрограма (около масата на миглите). Но, разочароващо, когато Big K губи маса, това все още е точно един килограм, според сегашната дефиниция.

Когато Big K се промени, всичко останало трябва да се коригира. Или още по-лошо: Ако Big K бъде откраднат, системата за измерване на масата в нашия свят ще бъде хвърлена в хаос.

С гласуването в петък най-добрите изследователи в света избраха да прикрепят килограма към константата на Планк, фундаментална концепция в квантовата механика, която никога, никога не може да се промени - тук на Земята или в дълбините на Вселената.

Това е повече от научна победа. Това е и философско, както научих от учените от NIST, които от години работят по предефинирането и наричат ​​този момент най-вълнуващото време от цялата им кариера.

С новата дефиниция Генералната конференция по тежести и мерки допълва първоначалната мечта на метричната система, която беше приета на фона на Френската революция. Метричната система - която еволюира в Международната система от единици или SI - е проектирана да бъде „за всички времена, за всички хора“.

„Обектите винаги се променят“, казва Стефан Шламингер, учен от NIST, участващ в предефинирането. С новата дефиниция той казва, „ние преминаваме от обект“ на Земята „към нещата, които са на небесата“.

И това е нещо, което си струва да се празнува. В свят, в който винаги всичко изглежда е в поток, тези учени сега са се уверили, че килограмът никога няма да се промени.

Кратка история на килограма

Как да разберете какво тежи нещо? Знам, има очевиден отговор: Поставяте го на кантар.

Но когато отидете в магазин за хранителни стоки и претеглите пакет ябълки, как тази везна ще разбере какво е чувството на половин килограм плодове?

За да има смисъл измерванията на масата, имаме нужда от фиксирана точка за сравнение. Тези ябълки трябва да тежат повече или по-малко от нещо. За да се избегне хаосът и да се позволи на нашата икономика да функционира, нещо трябва да бъде общопризнато.

Везната във вашия хранителен магазин е калибрирана с тежест, която е калибрирана с тежест, която е калибрирана с тежест и т.н. И всички тези калибрирания се проследяват точно тук, в недрата на NIST. Постоянното тегло и измерване има значение за повече от хранителни стоки: Представете си, ако Boeing не може да разбере точно какво тежи самолет или фармацевтичната индустрия не може да определи точната маса на малка, потенциално смъртоносна доза лекарство.

В САЩ все още използваме имперски единици: лири и унции. Но всъщност всички наши измервания са получени от Международната система от единици или SI, която използва метри и килограми като основни единици за дължина и маса.

Що се отнася до масата в САЩ, всичко проследява тези цилиндри с форма на шайби, които са прецизно обработени, за да тежат 1 килограм. Официално в САЩ 1 паунд се определя като 0,45359237 килограма. Едно стъпало се определя като 0,3048 метра.

Но системата не винаги беше толкова подредена. Преди Френската революция и изобретяването на метричната система системите за теглилки и мерки по целия свят са били хаотична, непокорна бъркотия.

„Представете си свят, в който всеки път, когато пътувате, трябва да използвате различни преобразувания за измервания, както правим за валута“, обяснява Мадхви Рамани от Би Би Си. „Такъв беше случаят преди Френската революция в края на 18-ти век, когато тежестите и мерките варираха не само в отделните нации, но и в отделните нации.“

Френската революция беше свързана със свалянето на стари, архаични, хаотични йерархии, останали от феодалната епоха, и преструктуриране на обществото с мисъл за егалитарни принципи.

Вдъхновени от революцията, учените по онова време искаха да започнат отначало на нова, последователна система за измерване, основаваща единици не на произволни мандати на кралете, а на природата. Целта беше да се създаде система за измерване „за всички времена, за всички хора“.

По този начин, когато Международното бюро за теглилки и мерки е основано във Франция в края на 1800 г., метърът - стандартната единица за дължина - е създаден, за да бъде една десет милионна от разстоянието от Северния полюс до екватора. Грамът се вдъхновява от плътността на водата: Той е приблизително равен на масата на 1 кубичен сантиметър вода, държана при 4 ° C.

За да разпространят тези нови единици - за да се уверят, че всички по света ги разбират - изобретателите на метричната система решават да създадат физически обекти, които да ги въплъщават и дефинират. Изработиха метална пръчка с дължина точно 1 метър. Те създадоха Big K, за да представят масата от 1 килограм или 1000 грама.

От 19-ти век всички физически реликви от старата метрична система са заменени от измервания, прикрепени към постоянни природни сили. Първоначално метърът е дефиниран като пропорция от размера на Земята. Но дори формата на света не е постоянна. По дяволите, Земята може дори да не е постоянна. Така че днес метърът се определя от скоростта на светлината. Вторият е прикрепен към движението на атомите на елемента цезий.

Засега само килограмът е дефиниран от физически обект.

И така, каква е тази нова дефиниция на килограма? Подгответе се, защото е малко глупаво.

Обяснена е науката за предефиниране на килограма от гледна точка на константата на Планк

Гласуването в петък на Генералната конференция за теглилките и мерките премина единодушно. Но промените ще влязат в сила до май 2019 г. Когато настъпи промяната, ето как ще бъде определен килограмът в Международната система от единици:

Килограмът, символ kg, е SI единица за маса. Определя се, като фиксираната числена стойност на константата на Планк h е 6,626 070 15 × 10-34, когато се изразява в единица J s, което е равно на kg m2 s -1, където измервателният уред и вторият са определени в членове на c и ∆νCs.

Много по-трудно е да се обясни, отколкото бучка метал във Франция. Но нека опитаме.

По принцип Генералната конференция по тежести и мерки ще фиксира стойността на константата на Планк, която описва как най-малките частици материя отделят енергия на отделни стъпки или парчета (наречени кванти).

С гласуването в петък константата на Планк сега и завинаги ще бъде определена като 6,62607015 × 10-34 м2 кг/сек. И от тази фиксирана стойност на константата на Планк учените могат да извлекат масата на килограм.

Това усилие за предефиниране отнема десетилетия, защото константата на Планк е малка (започва с десетична запетая и е последвана от 33 нули) и трябваше да бъде изчислена до свръхмалка граница на грешка. Работата изисква внимателни измервания с невероятно сложна машина, наречена баланс на Кибъл (повече за това по-долу), както и наблюдения на изключително кръгла сфера от силиций.

Това обяснение може да изглежда нестабилно. И това е. Но за да го оценим по-добре, е полезно да разгледаме как измервателният уред - стандартната единица за дължина в света - е предефиниран по отношение на скоростта на светлината като пример защо това е необходимо.

Първоначално метърът беше дефиниран като дължина на лента в Международното бюро за теглилки и мерки във Франция. (Тогава беше предефинирано, за да бъде равно на определена дължина на вълната на излъчване.) Отново проблемът с това определение беше неговата неточност. Тя не се основава на неизменни свойства на Вселената.

Скоростта на светлината, от друга страна, е непроменените 299 792 458 метра в секунда. Независимо къде се намирате, учените вярват, че остава същото. (Най-малкото, ако се промени, това би довело до почти всичко, което знаем за физиката.)

Към 1983 г. физиците са станали наистина добри в измерването на скоростта на светлината. Затова го използваха, за да фиксират завинаги дължината на метъра, за да го направят постоянен. Ето как: Те предефинираха измервателния уред, за да бъде равен на разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299,792,458 от секундата. По същество дефиницията на измервателния уред вече е включена в дефиницията за скоростта на светлината.

В това има поезия: Учените взеха метъра - произволно измерване на дължината, измислено от хората - и го прикрепиха към универсална константа. Нашите разхвърляни човешки измервания надхвърлиха разхвърляната им човечност; те са слети с вечна истина.

Новият, дефиниран от светлината метър е със същата дължина като стария стандарт на метъра в Париж. Но за разлика от стария стандарт в Париж, сега дефиницията на измервателния уред никога не може да се промени.

Същото се случва и с константата на Планк. Подобно на скоростта на светлината, константата на Планк е универсална истина, която никога няма да се промени.

Чрез задаване на крайна стойност на константата на Планк - единиците от които включват килограма, подобно на мерните единици за скоростта на светлината включват измервателния уред - размерът на килограм е вечно стабилен. Можете също така да го мислите така: Килограмът е закрепен към константата на Планк, където ще си почине завинаги.

(Може би, ако сте чели отблизо, сте забелязали, че тук има проблем с пилешкото и яйцето. Как се опитвате да определите метър по отношение на скоростта на светлината, ако вашите измервания на скоростта на светлината съдържат и единица "метър"? Същото е и за константата на Планк: Тя съдържа килограми в мерните си единици. Кратък отговор: Ето защо хората, работещи по тези проблеми, имат докторски степени.)

Балансът Kibble е машината, която прави всичко това възможно

Предефинирането на килограма от гледна точка на Планк беше огромно предизвикателство, което отне десетилетия.

Първо, учените трябваше да могат да измерват константата на Планк с изключително точна степен. Ако нашата оценка на скоростта на светлината имаше голяма граница на грешка, не би било надеждна котва за измерване на метър. Същото важи и за Planck.

В продължение на десетилетия учените от NIST, както и няколко други лаборатории по света, използват машина, наречена баланс на Кибъл (понякога наричан баланс на вата), за да измерват точно константата на Планк в достатъчно внимателна степен, че може да се използва за предефиниране на килограма.

Подобно на килограмовите стандарти, везните Kibble се намират дълбоко под земята в NIST. Построен е върху бетонен под, който буквално може да се носи над основата на сградата, за да изолира по-добре нейното чувствително оборудване от всякакви вибрации от останалата част на съоръжението. Трябва да нося пластмасова мрежа върху косата и обувките си, за да отида да я видя, защото всякакви отломки могат да я изхвърлят от калибрирането.

Ако викторианците бяха построили машина на времето и я паркираха в пивоварна, бих си представил, че ще изглежда по подобен начин.

Балансът на Kibble работи донякъде като обикновен баланс на масата. Представете си този, който лейди Джъстис държи в ръката си: Той има два тигана, които балансират в централна точка. Един обикновен баланс сравнява две тежести на всеки от тиганите, като целта е да се приравнят.

Балансът на Кибъл - кръстен на покойния си изобретател, британският физик Брайън Кибъл - прави нещо подобно, но с квантово механично извиване. Той приравнява механичната енергия, упражнявана от масата на даден обект, с еквивалентно количество електрическа енергия.

Формулата, която балансът на Kibble дава за изравняване на масата и електрическата мощност, е сложна. (Учените от NIST ме доведоха до бялата дъска, показана по-долу, за да обясня.)

Важното е, че в това уравнение - сред всички играещи променливи, които включват маса, скорост, гравитационно привличане, магнетизъм и електричество - се крие константата на Планк. И използвайки тази машина, учените успяха да решат Планк. Математиката се получава, тъй като, както ни научи Алберт Айнщайн с най-известното си уравнение E = mc2, масата и енергията са по същество различни изрази на едно и също нещо.

Сега може би си мислите: Какво прави балансът на Кибъл сега, когато е дефиниран за константата на Планк?

Е, той замества нуждата от Big K във Франция, защото сега знае масата на килограм по отношение на константата на Планк. И това ще бъде точно измерване, начин да се гарантира, че килограмът все още е килограм, който може да се използва за претегляне на обекти и определяне на тяхната маса според новия стандарт.

„В момента нашето осигуряване на качеството на стабилността на [Big K] се основава на споразумение“, казва Абот. „Казваме, че няма да се промени. Нашето осигуряване на качеството на баланса на Kibble е, че се основава на константа на природата, която е измервана стриктно от целия свят. и знаем, че това не се променя. Всичко е разликата в света. "

В ход е демократизацията на тежестите и мерките

Ако сте пренебрегнали всичко това, ето до какво се свежда цялата тази промяна: Вече няма да имаме нужда от правителство - САЩ, Франция, кой да е - или от международен управителен орган, който да ни каже какво е килограм. Това ще бъде основната истина на Вселената, достъпна за всеки, който разполага с подходящо оборудване, за да я осъзнае.

На теория всеки може да изгради баланс на Кибъл. (Казват ми, че по пътя има миниатюризирани.) „Те могат да изградят този експеримент и могат да измерват каквато маса искат, какъвто и да е материал, просто го поставете на везната и получавате стойността на масата, абсолютна, по отношение на константата на Планк “, казва Дарин Ел Хадад, която провежда експеримента за балансиране на Кибъл в NIST. Балансът на Kibble позволява „абсолютно измерване“, казва тя.

В бъдеще производствената индустрия няма да има нужда да изпраща своите теглилки и везни до NIST за калибриране. Те биха могли да имат баланс Kibble на фабричния си етаж. В тази светлина новата дефиниция е по-демократична - дефиниция, която е безплатна за използване по целия свят и не се затваря в случай във Франция.

Има обаче някои големи недостатъци на промяната. „Хората дори не разбират метричната система“, казва Абът. „Как ще обясниш баланса на Кибъл?“ Сложността на дефиницията може да бъде отклонение за хората, които искат да научат за науката. Дете в начално училище може да разбере, че парче метал тежи килограм, но квантова механика?

Шламингер твърди, че макар новата дефиниция да е по-сложна в техническо отношение, „философски, тя е по-проста.“ Килограмът скоро ще бъде определен от фундаменталната физика на Вселената, а не от някаква човешка машинация.

Шламингер има татуирани на ръката си успоредни думи на метричната система, „за всички времена, за всички хора“, заедно с цифрите на константата на Планк. Ето колко силно той вярва в идеала. Той вижда тази работа като „завършване на дъгата, започнала с Френската революция“. И е завършен: С гласуването в петък килограмът вече е завинаги, за всички времена и за всички хора.

Има огромна сила в разбирането. Vox отговаря на най-важните ви въпроси и ви дава ясна информация, за да ви помогне да разберете един все по-хаотичен свят. Финансовият принос за Vox ще ни помогне да продължим да предоставяме безплатна обяснителна журналистика на милионите, които разчитат на нас. Моля, помислете за даване на принос за Vox днес, от само $ 3.