A kilogramm meghalt; éljen a kilogramm

Ezen a héten a tudósok találkoznak, hogy újra meghatározzák a világ súlyát

Írta: James Vincent
2018. november 13-án 9:05

Frissítés, 2019. május 20., 10:00 ET: Ezt a cikket eredetileg 2018. novemberében tették közzé. 2019. május 20-án, a Metrológiai Világnapon hivatalosan elfogadták a kilogramm Planck-konstanson alapuló új meghatározását. A cikk többi része változatlanul következik.

Szinte minden súlymérés, a fürdőszobai mérleg bekukkantásától a liszt receptig méréséig, egyetlen tárgyra vezethető vissza: platinából és irídiumból készült fém kilogramm, amely lakat alatt van földalatti boltozat Párizsban. International Prototype Kilogram-nak vagy IPK-nak hívják, és 1889-es létrehozása óta ez az a szabvány, amely alapján meghatározzák a világ súlyát. De nem sokáig.

Az IPK másolatait szétosztják az egész világon, majd az országok létrehozzák saját referencia súlyaikat, a lehető legközelebb az eredetihez. Ezeket a mérlegek és súlyok kalibrálására használják a társadalom minden rétegében, a laboratóriumoktól és gyáraktól a szupermarketekig és pékségekig. És igen, ide tartozik Amerika is. Az Egyesült Államok fontokat és unciákat használ kilogramm helyett, de ezeket is a Nemzetközi Kilogram prototípus segítségével kalibrálják, akárcsak a metrikus rendszert.

De ezen a héten, november 16-án, pénteken puccsot terveznek ebben a nemzetközi súlyügyminisztériumban. Miután 129 évet szolgált a világ mércéjeként, a Kilogram Nemzetközi Prototípus (vagy Le Grand K, ahogyan ez helyben ismert) leáll. A metrikus rendszert szabályozó Nemzetközi Súly- és Mérőiroda nagykövetei Versailles-ban gyűlnek össze, és megszavazzák, hogy ezt a fizikai tárgyat a kilogrammnak a természet alapvető állandóján alapuló meghatározásával helyettesítsék.

A váltást senki sem fogja észrevenni egy fejlett fizikai laboratóriumon kívül, de jelentős alkalom az érintettek számára. "Ez a metrológia Halley-üstöke" - mondja Stephan Schlamminger, az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) fizikusa, aki a következő átálláshoz használt berendezéseken dolgozott. "Hihetetlenül ritka, hogy ekkora újradefiniálás történik."

Gondoljunk csak arra, hogy Indiana Jones tudományos megfelelője annak, ha arany bálványt cserél egy zacskó homokért. Az újrafogalmazás után egy kilogramm kilogramm marad, de értéke sokkal idegen alapokon nyugszik.

A mérési egységek meghatározásának törekvése a természet állandóinak felhasználásával a metrikus rendszer létrehozásához vezet vissza a francia forradalom alatt. Ebben az időben a liberté, az égalité, a fraternité ideológiáját nemcsak forradalmárok, hanem a tudósok is magukévá tették. A metrikus rendszert azzal a céllal hozták létre, hogy megszabadítsa a közönséges férfit és nőt az Ancien Régime zavaros és következetlen súlyaitól és mértékeitől. Ez egy utópisztikus projekt volt, amelynek alkotói azt képzelték, hogy egy közös súly- és mértékrendszer egyesíti a világot, lehetővé téve az áruk és információk szabad cseréjét.

De ahhoz, hogy ezek az új egységek mindenki számára elérhetőek legyenek, új definíciókat kellett kidolgozni. Egy akkor Franciaországban használt hosszúságegység volt a pied du Roi, vagyis a „király lába”. A név nyilvánvalóvá teszi az egység származását, de helyet foglal el egy felülről lefelé tartó politikai struktúrában is. A forradalmárok meg akarták dönteni ezt a rendszert és a társadalomhoz való ragaszkodását, és ez azt jelentette, hogy mérési egységeket kellett meghatározni olyan kísérletekkel, amelyeket bárki megismételhetett, nem pedig fizikai tárgyak, mint például a pied du Roi mérésére használt referenciasávok.

Tehát a kilogrammot eredetileg egy köbdeciméter víz tömegének határozták meg (a deciméter tized méter), míg magát a métert az Északi-sark és az Egyenlítő közötti távolság töredékének számították. Ennek az Európán áthaladó képzeletbeli vonalnak egy szakaszát fáradságosan, kézzel, hüvelykről hüvelykre mérve mértük a kontinensen átívelő hétéves utazás során. És 1798-ban a mérőt hivatalosan újradefiniálták, mint a Föld meridiánjának felének 1/10 000 000 részét. Ha valamelyik országnak saját mérőszámot kell létrehoznia, elméletileg maga is megmérheti.

„Ezeket a meghatározásokat akkor vezették be, amikor a forradalmárok olyan egységeket akartak létrehozni, amelyek pour tous les hommes, pour tous les temps voltak - minden ember számára, mindenkor” - mondta Dr. Martin Milton, a Párizsban működő Nemzetközi Iroda igazgatója. Súlyok és méretek (vagy a BIPM, ahogy az a francia kezdőbetűiből ismert) - mondja a The Verge.

A következő évszázadban azonban, amikor a metrikus rendszert több nemzet fogadta el, és új egységeket adtak hozzá, a tudósok aggódni kezdtek, hogy a világ nem elég. James Clerk Maxwell fizikus 1870-ben felvázolta e félelmek alakját, figyelmeztetve társait, hogy „a Föld lehűlve összehúzódhat, vagy a rá eső meteoritréteg megnövelheti”, megváltoztatva alakját és ezzel együtt a hosszát is. a mérő.

Ez a figyelmeztetés abszurdnak tűnhet, de Maxwell szorongása tükrözi a metrológia alapvető fontosságát. A tudományos módszer alapja a következetes mértékegység. Nélkülük nem lehet megbízhatóan megismételni a kísérleteket, és ha a kísérletek eredményei nem megbízhatóak, akkor a világ megértésének sem. Ahogy Lord Kelvin, a brit tudós, akiről a metrikus rendszer hőmérséklet-egységét elnevezték, 1883-ban elmondta: "Amikor meg tudja mérni, miről beszél, és számokkal kifejezni, akkor tud róla valamit." Ha nem tudsz, akkor nem.

A megoldás? A metrológusok ismeretelméleti szempontból magasabb szintre törekedtek, mint az emelkedő árvizek elől menekülő állatok. Ahelyett, hogy a Földet használták volna alapul az egységek meghatározásához, úgy döntöttek, hogy a természet állandóit használják - numerikus vagy fizikai mennyiségeket, amelyekről azt gondolják, hogy az univerzumban változatlanok. Ezek az állandók alkotják a modern fizika alapkövét; annyira alapvető a fizikai világ megértése szempontjából, hogy egybetűs kódneveket kapnak, mint az univerzum szuperkémjei. Van G a gravitációs állandóra, c a fény sebességére, és még ismeretlenebb intézkedések, például h, vagy Planck állandója, amely a legkisebb művelet, amelyet egy foton megtehet.

Először a mérőóra volt állandóhoz kötve. 1960-ban a fény hullámhosszát használva mérték, majd 1983-ban, a BIPM 17. konferenciáján (a héten ez lesz a 26.) megkapta jelenlegi definícióját, mint „a fény által vákuumban megtett út hossza 1/299 792 458 másodperces időintervallum alatt. " Mint mindig ezekkel az újradefiniálásokkal, a cél nem maga az egység megváltoztatása, hanem egy új valóság megalapozása.

Az elmúlt évtizedekben a metrikus rendszer hét egységéből hat - a mérő, a második, az amper, a Kelvin, a vakond és a kandela - ugyanazon átalakuláson ment keresztül. Most már csak egyetlen műtárgy-alapú egység maradt meg, a kilogramm, és a metrológusok viszketnek, hogy megszabaduljanak tőle.

"Amíg a kilogrammot műtárgyként definiálják" - mondja Schlamminger -, nem mondhatjuk, hogy ez minden emberre vonatkozik, minden időre. Ez nem „minden ember számára” való, mert az emberek nem tudják átdolgozni az IPK-t, és nem „minden időre”, mert ez egy objektum, és minden objektum megváltozik. Egyik sem változtathatatlan.

A Le Grand K maga bizonyította ezt a pontot. Bár a kilogramm a tudomány által ismert egyik legstabilabb ötvözetből készül, és tisztelettudóan kezelik - szinte egész életében zavartalanul, ugyanazon a helyen ült, vákuumzárt csengőedények triójába zárták - megmagyarázhatatlanul fogyott is.

A néhány évtizedenként megrendezésre kerülő ünnepélyes mérlegelések során, amikor a Nemzetközi Kilogram prototípus referenciáit repülik be a világ minden tájáról, és az előkelő elődhöz képest az IPK körülbelül 50 mikrogrammot veszített, nagyjából egyenlő egyetlen szempillára. Természetesen, mivel az IPK a kilogramm meghatározása, technikailag nem tud fogyni vagy hízni. Ehelyett pontosabb azt mondani, hogy a világ többi része kissé nehezebbé válik.

Ennek az eltérésnek a pontos oka nem ismert, de az egyik elmélet szerint az évek során alkalmazott kezelési protokollt kevésbé szigorúan követték, ami az IPK valamilyen módon szennyeződéséhez vezetett. A BIPM igazgatója, Milton javasolja, hogy ez az egyik lehetséges ok, és arra mutat rá, hogy az IPK tömege az 1940-es és 1990-es évek között megváltozott, de azóta sem. "Amit tudunk, az az, hogy az elmúlt korszakban, az elmúlt 30 évben végzett mérések jó irányításnak tűnnek" - mondja Milton.

A metrológusok számára ezek az ingadozások nem több, mint kínos zavargás. Nem sértik komolyan a nemzetközi metrikus rend legitimitását, de elrontják a tévedhetetlen metrikus pontosság hangulatát. A pénteki újrafogalmazással a fizikai tárgyak kora - és az azzal járó tökéletlenségek - végleg elmarad. "Túl leszünk ezen a rendetlenségen" - mondja Schlamminger. "Az egységeket az univerzum szövetére fogjuk alapozni: úgymond a mennyekre."

Az ég a tudományos eredmények remek sablonja, de a Földről nem könnyen elérhető. A kilogramm újradefiniálása univerzális állandók segítségével fárasztó, ha többnyire megjegyzés nélküli projekt volt, amely évtizedes kutatásokat végzett laboratóriumok által szerte a világon; két kvantumfizikai Nobel-díj gyümölcse; és az eddigi legbonyolultabb gépek gyártása. Nem kis feladat, a valóság alapjainak megerősítése.

Ennek a kemény munkának a végeredménye a Kibble mérleg néven ismert eszköz. Ezt 1975-ben találta ki Bryan Kibble brit fizikus, és azóta optimalizálták, hogy elérje az új pontossági szintet. A bonyodalmak ellenére a Kibble mérleg úgy működik, mint egy hagyományos mérlegkészlet vagy a fénysugármérleg, akárcsak az élelmiszerek mérlegeléséhez. De míg ezek a mérlegek általában tömegeket mérnek a másikkal szemben, a Kibble mérleg súlyokat mér egy olyan elektromágneses erővel szemben, amely rendkívül pontosan mérhető.

Ez az elektromágneses erő állandó mágnesekkel körülvett huzaltekercs segítségével jön létre. Ez a beállítás két különböző mérési módszert hozhat létre. Az elsőben áramot vezet át a huzaltekercsen, hogy elektromágneses húzóerőt generáljon. A másodikban fizikailag mozgatja a tekercset felfelé és lefelé, mint egy dugattyú, amelynek ugyanaz a hatása. Számos közelmúltbeli felfedezés miatt (köztük az általunk említett Nobel-díjak is) hihetetlen pontossággal megmérhetjük a mérlegelés mindkét módjában szerepet játszó erőket. És ezeket az ismereteket egyesítve Planck állandójának felhasználásával megmérhetjük a tömeget a Kibble mérleg egyik oldalán. Ez az, ami lehetővé teszi a tudósok számára, hogy új meghatározást hozzanak létre a kilogramm számára: a fizikai világ alapjainak mérésével egészen a lehető legkisebb fizikai cselekvésig.

Az elméleti fizika különböző fogalmainak kombinációjaként a Kibble egyensúly lenyűgöző eredmény. De mint mérnöki projekt; a laboratóriumi hetek, hónapok és évek szorzata, a megfelelőbb leírás „kimerítőnek” tűnik.

Eddig csak két laboratóriumnak sikerült olyan Kibble mérleget létrehoznia, amely képes a tömeg meghatározásához a kilogramm meghatározásához szükséges pontossággal. Az egyiket a kanadai Nemzeti Kutatási Tanács irányítja, a másikat az amerikai NIST üzemelteti. Mérlegük annyira kényes, hogy zárt porszívóban kell őket tartani. A tudósoknak még a használatuk előtt meg kell mérniük a terem helyi gravitációs terét, ahol dolgoznak, hogy figyelembe vegyék az esetleges variációkat. Hao Fang, aki a BIPM erőfeszítéseit ezen a területen vezeti, és Franck Bielsa, aki vele dolgozik, összehasonlítják a folyamatot egy tucat kísérlet egyidejű végrehajtásával.

"Egyszerre számos egyedi mező kényszerével kell dolgoznia" - mondja Bielsa. „Van optikád; lézeres interferometria hosszmérésekhez; elektromos metrológia a pontos áramok és feszültségek mérésére; meg kell határoznia a gravitációs teret abban a helyiségben, ahol dolgozik, stb. " Ezeknek a változóknak a sorba állítása egyetlen mérés elvégzéséhez a beteg készsége, mint például Odüsszeusz egy nyíl lövése egy tucat fejsze lyukain keresztül az Odüsszeiában. De ebben az esetben a bravúrt nem egy személy, hanem egy egész közösség hajtja végre, mindannyian meghúzva az íjat.

A tényleges átállás - amikor azok a laboratóriumok, amelyek képesek megkezdeni a kilogramm saját mérését a Kibble mérleg használatával - csak jövő év májusában következik be, de az e heti konferencia az ünnepi koronázás. A változás nemcsak a súlyra is hatással lesz. Mivel más metrikus egységeket jelenleg a kilogramm alapján határoznak meg, amint megváltozik a definíciója, az öveket is frissíteni kell. Összesen négy egység kap új meghatározást: a kilogramm, az amper, a kelvin és a vakond.

Ennek megfelelően az érintettek számára ez a hét jelentős. Még Milton is, aki olyan kiegyensúlyozott, mint ahogyan azt a nemzetközi mérés vezetőjétől elvárhatjuk („Érzelmes vagyok ebből? Nem, nem igazán”), elismeri, hogy a pénteki légkör „indokoltan örömteli lesz”.

A BIPM irányító testületének, a Súlyok és Méretek Általános Konferenciájának különböző nemzeteiből érkező küldöttek még mindig zárószavazásra várnak, de az érintettek szerint ez nagyjából kész üzlet. A végső szavazásra Versailles-ban kerül sor pénteken és az ünnepségek megkezdése után.

"Személy szerint hitetlen vagyok, nem hiszem el, hogy ez valóban megtörténik" - mondja Schlamminger. „Ha ez átjön, akkor van valami az életemben, amit valójában befejeztem. Sok mindent kezdesz az életben, de valójában hányat érsz el? ”

De ezzel még nem ért véget a metrológia. Ez egy olyan tudomány, amely soha nem képes megállni a helyén. Amikor Napoleon Bonaparte-t 1799-ben bemutatták a nemzetközi prototípusmérőnek, kijelentette: "A hódítások jönnek és mennek, de ez a munka kitart." Csak részben volt igaza. A mérő egységként kibírta, de a platina szabvány, amelyet Bonaparte átadott, nem.

A metrikus rendszer hét egysége és alapvető állandói:

Méter - hossza. A fény által vákuumban megtett távolság 1/299 792 458 másodperc alatt.
Második - idő. Pontosan 9 192 631 770 cézium-133 atom sugárzási ciklusa.
Kilogramm - tömeg. Planck állandója osztva 6,626,070,15 × 10−34 m − 2-vel.
Anyajegy - anyagmennyiség. Avogadro konstans, vagyis 6.022.140,76 × 1023 elemi entitás.
Candela - fényerősség. Fényforrás monokromatikus sugárzással, 540 × 1012 Hz frekvenciával és 1/683 watt/szteradián sugárzási intenzitással.
Kelvin - hőfok. Boltzmann-állandó, vagy a hőenergia változása 1,380 649 × 10−23 joule.
Amper - aktuális. 1/1,602 176 634 × 10−19 elemi töltés/másodperc áramlással egyenlő.

És egyesek számára még a mértékegységek meghatározása is természetes állandók segítségével nem teljesíti teljes mértékben a metrológia irányadó mantráját: „Minden ember számára, minden időre.” Csak két labor képes megfelelően működtetni a Kibble-mérleget ezen a ponton, és körülbelül féltucat más dolgozik a problémán. Hiteles kritika tehát, ha azt mondjuk, hogy ez a technológiától való függés ugyanúgy eltávolítja a mértékegységeket az állami tulajdonból, mint a király lábának használata.

Ez súrlódást és idegességet okozhat, akárcsak a múltban. Robert P. Crease, a Stony Brook Egyetem filozófus professzora és a mérési rendszerekről szóló könyv szerzője megjegyzi, hogy történelmileg a műtermékek mértékegységekre történő használata „hatalom és tekintély kérdéséhez” vezetett. Ha a műtárgyat irányítod, akkor az egységet és ezzel együtt a valóság egy szeletét. Crease elmondja a The Verge-nek, hogy bár a természetes állandók használata elkerülni látszik ezt a problémát, azt is állíthatja, hogy „újból beírja [azt] azáltal, hogy a szabványokhoz való hozzáférést az élvonalbeli technológiától és azok felügyelőitől teszi függővé”.

Ez a bizalom kérdésévé válik. „A metrológia egyfajta fekete doboz” - mondja Crease. „A metrológusok bíznak a fekete dobozban, mert tudják, hogy mi működik belül. A nem metrológusoknak kívülről kell megbízniuk a fekete dobozban. ” Nem segít, hogy az új meghatározás az átlagember számára „érthetetlen” - teszi hozzá.

Abban a korban, amikor a szakértői ismereteket és a tudományos konszenzust a „józan ész” és a demagógia nevében csúfolják, a metrikus rendszerben rothadásként növekvő bizalmatlanság gondolata nem teljesen elragadott. Még a világegyetem állandói is elégtelennek bizonyulhatnak a mértékegységek számára, ha a közönségbe vetett bizalom meghiúsul.

A metrológusok számára ezek többnyire elméleti gondok. A BIPM önmagában jónak ünnepli munkájának összetettségét; olyat, amelyet a kutatásai alapján végzett minden mérés megerősít. És csak azért, mert a metrikus rendszer a kortárs fizika legösszetettebb elképzelésein alapszik, még nem jelenti azt, hogy nem értékelhetők.

Az elkövetkező újradefiniálás után például a legalapvetőbb egységeink, a súlyunk és a hosszunk a fizika két alapelméletéből származik: a kvantummechanikából és a speciális relativitáselméletből. Az előbbi megadta nekünk Planck állandóját, amelyet a kilogramm meghatározásához fogunk használni; ez utóbbi pedig megadta nekünk a fénysebességet, amely már meghatározza a mérőt. Ahogy Schlamminger megjegyzi: "Ebben van szépség és szimmetria."

A BIPM-nél pedig még több mérést kell elvégezni. Milton lerombolja az ügynökség egyéb feladatait, a gyógyszerek és az élelmiszerek tisztaságát megalapozó kémiai munkától kezdve a Koordinált Világidő fenntartásáig, amelyet a világ nemzetei használnak az órájuk beállításához. Szerinte egy globális társadalomban, ahol az ipar igényei mindig változnak, és a tudósok mindig tágítják az emberi tudás határait, a mérési tudományág soha nem lesz elavult, és nem is engedheti meg magának, hogy megálljon.

"Ez egy nagyon-nagyon praktikus terület, ahol dolgozunk, és soha nem szűnik meg növekedni" - mondja Milton. - Ez a dolog közvetlenül a középpontban, ezek az alapegységek? Ez a Mount Everest. De rengeteg más hegy van megmászni.