A kilogramm örökre megváltozik. Ezért fontos ez.

A fürdőszobai mérlegektől kezdve az orvosi laboratóriumi mérlegekig a tömegszabvány most egy olyan értéken alapul, amely „a világegyetem szövetébe szőtt”.

KIADOTT 2019. május 20

A beágyazott üvegcsengőedények hármasa alatt lezárva egy csillogó fémhenger szabályozott hőmérsékletű boltozatban ül a francia Sevres-i Nemzetközi Súly- és Mérőiroda belében. Szinkronizált Le Grande K., vagy a Big K, ez a magányos platina- és irídiumdarab több mint egy évszázadon keresztül meghatározta a tömeget az egész világon - a fürdőszobai mérlegektől az orvosi laboratóriumi mérlegig.

De mindez megváltozik.

2018. november 16-án több mint 60 ország képviselői megszavazták a súlyok és méretek általános konferenciájának 26. ülését a franciaországi Versailles-ban a kilogramm újradefiniálása érdekében. Ma ez a változás végre életbe lép. Ahelyett, hogy az egységet erre a fizikai objektumra alapozná, ezentúl a mérték a fizikai alaptényezőn fog alapulni, amelyet Planck állandójának nevezünk. Ez a végtelenül kis szám, amely tizedespontja után 33 nullával kezdődik, leírja a foton néven ismert elemi fénycsomagok viselkedését, a gyertyaláng villogásától a csillagok csillogásáig a fej fölött.

"Ez az alapvető állandó a világegyetem szövetébe van szőve" - mondja Stephan Schlamminger, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet csapatának vezetője, aki a tudósok nemzetközi kohorszával együtt azon dolgozott, hogy finomítsa Planck állandóját a kilogramm újradefiniálásához. Ami a legfontosabb, hogy ez az érték állandó marad, függetlenül a helytől.

Hatalmas változás

A kilogramm a Nemzetközi Egységrendszer hét alapegységének egyike, amely meghatározza az összes többi mérést. (A másik hat alapegység a mérő, a második, a vakond, az amper, a Kelvin és a kandela.) Könnyű figyelmen kívül hagyni az egységek fontosságát, de ez a hét mindent alátámaszt univerzumunkban. Biztosítják a gyártás, a kereskedelem, a tudományos innováció stb. Stabilitását.

A metrikus rendszert, amely később az egységek nemzetközi rendszerévé vált, az 1700-as évek végén hozták létre, hogy méréseket végezzenek "mindenkinek, minden ember számára" - mondja Schlamminger. A remény az volt, hogy leegyszerűsítsük a mindennapi életet egy olyan világban, ahol egy másik városba való bejárás azt jelentette, hogy más intézkedési rendszert kell megtanulni.

E korai metrikus egységek közül sok a természeti dolgokon alapult - magyarázza Richard Davis, a mérésekkel kapcsolatos dolgokat szabályozó szervezet, a Nemzetközi Súlyok és Méretek Irodájának emerituskutató fizikusa. De végül ezek kivitelezhetetlennek bizonyultak. Például a mérőt úgy határozták meg, hogy az Északi-sarktól az Egyenlítőig Párizson áthaladó távolság 1/10 000 000. A kilogramm egy liter desztillált víz tömege volt a fagypontján.

"Csak nem volt technológiájuk vagy tudományuk a sikerhez" - mondja Davis. Tehát 1799 júniusában két platinaszabványt - egy méteres rudat és egy kilogrammos hengeret - hamisítottak meg, ami a tizedes metrikus rendszer létrehozását jelentette. Stabilitásuk növelése érdekében a prototípusokat 1889-ben egy platina-irídium ötvözetből újították fel, és retesz alatt rakták őket.

Ennek a fizikai tárgyakra való támaszkodásnak azonban megvoltak a maga problémái is. "Anyagi tárgy nem lesz minden idõre" - mondja Schlamminger. Kávéscsészék szünet; ruhák szakadása; csövek rozsdásodnak. Ráadásul a boltozatba zárva ezek az objektumok természetesen nem „minden ember számára valóak”.

A közbeeső században ezeket a fizikai tárgyakat egyenként helyettesítették az alapvető állandókkal. A kilogramm volt a végső kitartás.

A fogyás évei

Kivéve hozzáférhetetlenségét, a Big K elvégezte a munkát. A tudósok számos példányt hamisítottak a világ kutatói számára. Csaknem háromszor a csaknem 130 év alatt engedték el a kutatók a Big K-t a boltozatból, hogy összehasonlítsák az értékes hengert a doppelgangereivel.

De az összehasonlítások mindegyikével a tudósok egyre jobban aggódtak: a Big K úgy tűnt, hogy lefogy.

Másolataihoz képest az apró henger fokozatosan könnyebbnek látszott. Ez vagy annak másolatai egyre nehezebbek lettek. Lehetetlen megmondani, hogy mivel a Big K definíció szerint pontosan egy kilogramm. Még akkor is, ha valaki elvesz egy aktát és leborotvál egy sarkot, a Big K még mindig egy kilogrammot nyom, és a kilogrammokat a világ minden táján be kell állítani.

Összességében a Big K tömege körülbelül 50 mikrogramm különbözik másolataitól - szinte egy szem só tömege. És bár ez nem tűnhet soknak, óriási kérdés olyan igényes területeken, mint az orvostudomány. Ráadásul ez a veszteség nem csak a tömegre van hatással, hanem minden más egységre, például a Newtonra is, amelyeket a tömeghez viszonyítva határoznak meg.

Hogyan történik ez?

Ennek a fogyásnak a megoldására a Súlyok és Mérések Általános Konferenciája 2011-ben egyhangúlag elfogadott egy határozatot a kilogramm és további három egység - az amper, a kelvin és az anyajegy - újrafogalmazására a „természet invariánsai” alapján. Azóta a tudósok szerte a világon versenyeznek, hogy megoldást találjanak.

Két különböző lehetőség merült fel a kilogrammonként, amelyek mind Planck állandójához kötődnek. Az első valami Kibble-mérleg néven ismert. Kicsit hasonlít a klasszikus gerendamérlegre, amely lényegében egy rúd, amelynek mindkét oldalán függő serpenyő van. Valamelyik súlyának méréséhez helyezzen egy ismert masszát az egyik oldalára, a másikra pedig az érdeklődésre számot tartó tárgyat. A gravitációs erőnek köszönhetően meg tudja mondani, hogy az adott tárgy mennyit nyom az ismert tömeghez viszonyítva.

A Kibble-mérleg szempontjából azonban az egyik ilyen serpenyőt lényegében mágneses mezőben lévő tekercsre cserélik. És ahelyett, hogy gravitációs erőt alkalmazna a tömeg kiegyensúlyozására, elektromágneses erőt alkalmaz. Ha összehasonlítjuk a tömeget ennek az elektromágneses erőnek a szempontjaival, a tudósok pontosan mérhetik Planck állandóját.

A másik megoldás egy másik csillogó tárgy elkészítésén alapul: a kristályos szilícium-28 tökéletes gömbje. Ez az elképzelés az Avogadro számának nevezett állandón alapul, amely meghatározza, hogy egy mólban lévő atomok száma nagyjából 602 214 000 000 000 000 000 000. A szilícium gömb pontosan 1 kilogrammos atomszámának megszámlálásával a tudósok rendkívül pontosan meg tudják találni Avogadro számát. Ez aztán Planck állandójává alakítható. (Tudjon meg többet az Avogadro számának a kilogramm újradefiniálásában történő használatáról.)

Planck-konstans végső értéke elképzelhetetlenül kicsi: 0,0000000000000000000000000000000000000662607015 méter-négyzet-kilogramm/másodperc.

A várakozásnak vége

A két módszerrel a tudósok most meg tudnak mérni egy kilogrammot egy rész bizonytalanságával 100 000 000-ben - ez a különbség a szempilla súlyának körülbelül egynegyede - mondja Schlamminger. "A tudományban ez a helyzet - a tökéletességről szó sincs" - mondja. "Mindig vannak véletlenszerű hatások, és mindig van egy kis szóródás. És el kell döntenie: Elég jó? A novemberi egyhangú szavazás azt sugallja, hogy ez valóban elég jó.

A változás 2019. május 20-án, a metrológia világnapján lép életbe. "Ezen a napon nem fogsz változásokat látni a mindennapjainkban" - mondja Davis. De ilyen vagy olyan módon a bolygó minden egyes mérlege összekapcsolódik a nemzetközi kilogramm standarddal. Míg a liszt mérése a konyhában változatlan marad, az új szabvány változást hoz az olyan dolgokban, mint az autóalkatrészek gyártása, az új gyógyszerek kifejlesztése és a tudományos műszerek készítése.

A novemberi szavazás nemcsak azért volt figyelemre méltó, hogy most hihetetlen pontossággal mérhetők ezek a mérések, hanem a munka alapjául szolgáló nemzetközi együttműködés is. Miután a képviselők egyhangúlag elfogadták az új meghatározást, Sebastien Candel, a Francia Tudományos Akadémia elnöke arra a következtetésre jutott: "Remélem, hogy ez a világ számos más kérdésében is lehetséges lesz."

A szerkesztő megjegyzése: Ez a történet eredetileg 2018. november 16-án jelent meg. Frissítésre került, amikor a kilogramm újradefiniálása hatályba lépett.