Килограмът - навсякъде по света, за каквато и да е цел - се основава на точното тегло на парче платина и иридий с големина на топка за голф, съхранявано под три стъклени камбани в камбанка в богато украсена сграда извън Париж. Достъпът до трезора изисква трима души с три отделни ключа и надзора на Bureau Internationale des Poids et Mesures, международната организация, която контролира международната система от единици.
Въпреки цялата тази сигурност, през 129-те години, откакто Международният прототип на Килограма е изкован, полиран и санкциониран като артефакт на измерване, изглежда е загубил малко количество материал.
Масата е международно дефинирана от този прототип, наречен също „Le Grand K“, което означава, че ако този оригинален килограм загуби материал, както е направил, цялата останала вселена става по-тежка.
Международният прототип на килограма, известен също като Le Grand K, е международно санкционираният артефакт, който определя количеството тегло, еквивалентно на един килограм. Съхранява се под три стъклени купола в свод за защита. Снимката е предоставена от BIPM
В петък метролози - хора, които изучават науката за измерванията - и представители от 57 държави ще се съберат в конферентна зала във Версай, Франция, за да предефинират килограма. С други думи: начинът, по който претегляме света е на път да се промени.
Почти всеки ъгъл на земното кълбо, включително САЩ и техните обичайни единици, разчита на Международната система от единици, наричана SI, за извършване на измервания.
Системите за измерване се простират през повече от 5000 години от човешката история, базирани на общи понятия като дължината на рамото или теглото на семето. Съвременните измервания се стремят към по-голяма универсалност.
Всички измервания на SI трябва да се базират на универсални константи, като скоростта на светлината или трептенията на атом цезий-133. Тези единици се изразяват без артефакти или физически обекти, които ги дефинират. Тоест, с изключение на килограма.
„Не бихте могли да имате GPS, ако нямате атомни часовници и скорост на светлината“, каза метрологът Бари Ууд, който работи върху усилията прототипът да бъде остарял. През 1983 г., когато скоростта на светлината беше официално определена като константа, той каза, че никой не би очаквал обичайното използване на GPS от милиони, ако не и милиарди хора. Учените смятат, че някой ден прецизността, използвана при определянето на килограм, може да има също толкова фундаментално значение.
Какво направиха учените
Въпреки че по време на срещата във Франция ще бъдат официално предефинирани четири измервания, килограмът е може би най-значимият. Хората го използват в ежедневни и научни дейности - докато хората измерват сутрешното си кафе, определят разходите за доставка и изчисляват използването на ракетно гориво.
Той също така възпрепятства метролозите от десетилетия.
„Способността да се сравняват два леки обекта с везна е феноменална и е феноменална от времето на египтяните“, каза Джон Прат, машинен инженер, който доскоро беше началник на квантовите измервания в Националния институт за стандарти на САЩ и технологии. "Това е буквално 3000-годишна технология."
Но определянето на масата без друг обект за сравнение може да бъде много по-абстрактно. Повече от десетилетие метролозите работят по два различни експеримента, предназначени да свържат масата с универсална концепция, наречена константа на Планк, която свързва енергията на фотона с неговата честота.
Един експеримент, наречен Avogadro Project, обедини лаборатории в цяла Европа, Австралия, Азия и САЩ в опит да създаде перфектен силициев кристал. Те се надяваха да изчислят точния брой атоми на силиций в сфера, равна на тегло на Le Grand K - чрез използване на един изотоп, силиций-28 и наемане на майстор на лещи, за да изглади силициевата сфера с почти атомна точност. Оттам те биха могли да създадат точна дефиниция на константата на Авогадро, броя на въглерод-12 атома в 12 грама и да извлекат по-точна константа на Планк.
Силициева сфера, подобна на създадената за проекта Avogadro. Сферите, използвани в проекта, са наречени „най-кръглите обекти в света“. Снимката е предоставена от NIST
Въпреки изливането на милиони долари в най-съвършено кръглите предмети, създавани някога, изследователите не бяха доволни.
Друго усилие започна с две невероятно прецизни везни, известни като везни Kibble или вата.
"Ако щяхме да определим масата като константа на Планк, първо трябваше да дефинираме константата на Планк по отношение на масата", каза Прат. Той е работил върху баланса на NIST в САЩ, докато Ууд, изследовател от Националния изследователски съвет на Канада, е работил върху канадския си колега.
Везните в кибъл имат някакво сходство с древните везни, които сравняваха купища зърно или бучки злато. Вместо да сравняват обектите, везните на Kibble използват магнити, намотка от тел и прецизно електрическо оборудване за наблюдение, за да се раздели връзката между електрическата сила и физическото тегло.
Лазерните интерферометри в балансите на Kibble измерват минутни движения, а други инструменти постоянно наблюдават колебанията в местната гравитация, за да премахнат всякакви ефекти от изместване на приливите и отливите или промяна на плътността в земната кора.
Чрез претегляне на точно копие на Le Grand K с огромна точност, балансът на Kibble има за цел да дефинира константата на Planck с точност до осем десетични знака. След това константата на Планк може да се използва за определяне на тежестта при липса на какъвто и да е физически артефакт, навсякъде във Вселената.
„Не можехме да го направим преди, защото не можахме да го направим с точност, която може да задоволи почти всички“, каза Ууд. Няма нито един скок в технологията, който да позволи предефинирането на килограма сега спрямо всеки друг път в историята, съгласиха се и двамата изследователи. Според Ууд, "Това е поредица от малки неща, които магически просто го правят малко по-добър и малко по-добър."
Числата на проекта Avogadro също се съгласяват с по-прецизните измервания на балансите на Kibble, каза Ууд, което дава потвърждение, че работата им ги доближава до универсалната константа, която търсят.
Защо има значение
След като определението за килограм бъде променено официално - на 20 май 2019 г., известно още като Световен ден на метрологията - повечето хора никога няма да забележат разликата, каза Ууд. Това няма да промени съставките за печене в кухненска везна или дори да окаже влияние върху тоновете стоки, доставяни в световен мащаб всеки ден.
За астрономите, изчисляващи движенията на звездите и галактиките, или за фармаколозите, които се опитват да определят дози лекарства до молекулата, новият стандарт за измерване може да промени начина им на работа.
Но за много метролози тази ежедневна работа не е непременно онова, което е вдъхновило тази промяна. Метричната система трябваше да бъде рационален, универсален набор от единици "за всички хора, за всички времена", идея, приписвана на френския математик, философ и революционер, известен като маркиз дьо Кондорсе.
Според Прат самият квантов физик Макс Планк е предсказал, че някой ден система за измервания, базирана на естествени константи, ще бъде необходима за извънземна комуникация. Никоя извънземна цивилизация не би се съгласила с нас относно стандартизираното тегло на Le Grand K, но всички ние би трябвало да можем да измерваме една и съща енергия, излизаща от фотон, навсякъде във Вселената.
Международният прототип на килограм се съхранява в седалището на BIPM в Pavilion de Breteuil, извън Париж. Снимката е предоставена от BIPM.
„Независимо дали ги познаваме или не, естествените закони, управляващи Вселената, са необходими и постоянни“, каза Прат. "От началото на Вселената до сега не сме виждали никакви доказателства за тези константи да се променят. Те почти покриват познатата вселена и цялото време."
След предстоящото гласуване тези константи ще определят глобалната система от измервания. За всички хора и за всички времена.
"Системата SI единица най-накрая ще бъде наистина универсална система, без никакви човешки артефакти", каза авиокосмическият инженер Макс Фейджин, чиито туитове за метрологията наскоро станаха вирусни. "И това за мен е изключително красиво нещо."
Вляво: Техник работи на везна Кибъл. Снимката е предоставена от BIPM.