A kilogramm új meghatározása megváltoztatja a mindent mérlegelésünket

A kilogramm - bárhol a világon, bármilyen célra - egy golflabda nagyságú platina- és irídiumdarab pontos súlyán alapul, amelyet három üvegcsengő alatt tárolnak Párizson kívül egy díszes épület boltozatában. A páncélszekrényhez való hozzáféréshez három emberre van szükség, három külön kulccsal, valamint az Bureau Internationale des Poids et Mesures, az egységek nemzetközi rendszerét felügyelő nemzetközi szervezet felügyeletével.

meghatározása

Mindezen biztonság ellenére a kilogram nemzetközi prototípusának hamisítása, csiszolása és szankcionálása óta eltelt 129 év alatt úgy tűnik, hogy csekély mennyiségű anyagot veszített.

A tömeget nemzetközileg ez a "Le Grand K" becenevű prototípus határozza meg, ami azt jelenti, hogy ha ez az eredeti kilogramm anyagot veszít, ahogy tette, az univerzum egész többi része nehezebbé válik.

A Kilogram Nemzetközi Prototípusa, más néven Le Grand K volt a nemzetközileg szankcionált műtárgy, amely meghatározta az egy kilogrammnak megfelelő tömegmennyiséget. Három üvegkupola alatt tartják a boltozatban a védelem érdekében. Kép a BIPM jóvoltából

Pénteken metrológusok - a mérés tudományát tanulmányozó emberek - és 57 nemzet képviselői gyűlnek össze a franciaországi Versailles-i konferenciateremben, hogy újra meghatározzák a kilogrammot. Más szavakkal: a világ mérlegelésének módja hamarosan megváltozik.

A földgömb szinte minden szegletében, beleértve az Egyesült Államokat és szokásos egységeit is, a SI-nek nevezett Nemzetközi Egységrendszerre támaszkodnak a mérések.

A mérőrendszerek az emberi történelem több mint 5000 évére nyúlnak vissza, olyan általános fogalmak alapján, mint a kar hossza vagy a mag súlya. A modern mérések nagyobb egyetemességre törekszenek.

Valamennyi SI mérés célja univerzális állandók, például a fénysebesség vagy a cézium-133 atomjának rezgései. Ezeket az egységeket artefaktumok vagy azokat meghatározó fizikai objektumok nélkül fejezik ki. Vagyis a kilogramm kivételével.

"Nem rendelkezhetne GPS-sel, ha nincs atomórája és a fénysebessége" - mondta Barry Wood metrológus, aki azon dolgozott, hogy a kilogramm prototípust elavulttá tegye. 1983-ban, amikor a fénysebességet hivatalosan konstansként definiálták, szerinte senki sem számíthatott volna arra, hogy milliók - ha nem milliárdok - használják a GPS általános használatát. A tudósok úgy gondolják, hogy valamikor a kilogramm meghatározásakor alkalmazott pontosságnak hasonlóan alapvető jelentősége lehet.

Amit a tudósok tettek

Noha négy mérést hivatalosan újradefiniálnak a franciaországi találkozón, vitathatatlanul a kilogramm a legértelmesebb. Az emberek mindennapi és tudományos tevékenységekben használják - miközben az emberek mérik a reggeli kávéjukat, meghatározzák a szállítási költségeket és kiszámítják a rakéta üzemanyag-felhasználását.

Évtizedek óta gátolja a metrológusokat is.

"Az a képesség, hogy két könnyű tárgyat mérleggel hasonlítson össze, fenomenális, és valószínűleg az egyiptomiak kora óta fenomenális" - mondta Jon Pratt gépészmérnök, aki egészen a közelmúltig az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi Intézetének Kvantummérési Főnöke volt. és technológia. "Szó szerint 3000 éves technológia."

De a tömeg meghatározása egy másik objektum nélkül összehasonlítás céljából sokkal elvontabb lehet. Több mint egy évtizede a metrológusok két különböző kísérleten dolgoztak, amelyek célja a tömeg összekapcsolása a Planck állandójának nevezett univerzális koncepcióval, amely összeköti a foton energiáját a frekvenciájával.

Az egyik kísérlet, amelyet Avogadro Projektnek neveztek el, egyesítette a laboratóriumokat Európa-szerte, Ausztráliában, Ázsiában és az Egyesült Államokban annak érdekében, hogy tökéletes szilíciumkristályt hozzon létre. Azt remélték, hogy kiszámítják a szilícium atomjainak pontos számát egy olyan gömbben, amely súlya megegyezik a Le Grand K-val - egyetlen izotóp, a szilícium-28 felhasználásával, és felvettek egy mesterséges lencsekészítőt, hogy a szilícium gömböt majdnem pontosan megsimítsa. Innen megalkothatnák az Avogadro konstans pontos meghatározását, a 12-es szén-12 atomok számát 12 grammban, és pontosabb Planck-állandó levezetését.

Az Avogadro Project számára létrehozotthoz hasonló szilícium gömb. A projektben használt szférákat "a világ legkerekebb tárgyainak" nevezték. A kép a NIST jóvoltából

Annak ellenére, hogy dollármilliókat öntöttek a valaha létrehozott legtökéletesebben kerek tárgyakba, a kutatók nem voltak elégedettek.

Egy másik erőfeszítés két hihetetlenül pontos mérleggel kezdődött, Kibble vagy watt mérleg néven.

"Ha a tömeget a Planck-állandó alapján határozzuk meg, akkor először a Planck-állandót kell meghatároznunk tömeg szerint" - mondta Pratt. Dolgozott a NIST Kibble mérlegen az Egyesült Államokban, míg Wood, a Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács kutatója a kanadai kollégán dolgozott.

A kibble mérlegek némi hasonlóságot mutatnak az ősi mérlegekkel, amelyek szemcseméretet vagy aranytömböt hasonlítottak össze. Az objektumok összehasonlítása helyett a Kibble mérlegek mágneseket, huzaltekercset és precíz elektromos ellenőrző berendezéseket használnak az elektromos erő és a fizikai súly kapcsolatának felderítésére.

A Kibble mérleg lézeres interferométerei mérik a percmozgásokat, és más műszerek folyamatosan figyelik a helyi gravitáció ingadozásait, hogy kiküszöböljék az árapályváltás vagy a földkéreg sűrűségének megváltoztatásának hatásait.

A Le Grand K pontos példányának óriási pontossággal történő lemérésével a Kibble mérleg Planck állandóját nyolc tizedesjegy pontossággal kívánja meghatározni. Ekkor Planck konstansával meghatározható a súly bármilyen fizikai tárgy hiányában, az univerzum bármely pontján.

"Korábban nem tehettük meg, mert nem tudtuk megtenni olyan pontossággal, amely szinte mindenkit kielégíthetne" - mondta Wood. Nem volt egyetlen olyan technológiai ugrás, amely lehetővé tette volna a kilogramm újrafogalmazását a történelem bármely más időpontjához képest, mindkét kutató egyetértett. Wood szerint: "Ez apróságok sorozata, amelyek varázslatosan csak egy kicsit jobbá és jobbá teszik".

Az Avogadro Project számai szintén egyetértenek a Kibble mérlegek pontosabb méréseivel, mondta Wood, amely megerősíti, hogy munkájuk közel hozza őket az általuk keresett univerzális állandóhoz.

Miért számít

Miután a kilogramm definícióját hivatalosan megváltoztatták - 2019. május 20-án, más néven a Metrológiai Világnapon - a legtöbb ember soha nem fogja észrevenni a különbséget - mondta Wood. Ez nem változtatja meg a sütés összetevőit konyhai léptékben, sőt, még a globálisan naponta szállított áruk tonnájára sem lesz hatással.

A csillagok és a galaxisok mozgását kiszámoló csillagászok vagy a gyógyszerészek dózisait a molekuláig meghatározó gyógyszerészek számára az új mérési szabvány megváltoztathatja működésüket.

De sok metrológus számára ez a napi munka nem feltétlenül inspirálta ezt a változást. A metrikus rendszert racionális, univerzális egységkészletnek szánták "minden ember számára, minden idõre". Ezt az elképzelést tulajdonították a francia matematikusnak, filozófusnak és forradalmárnak, de Condorcet márkinak.

Pratt szerint maga Max Planck kvantumfizikus jósolta, hogy a földön kívüli kommunikációhoz valamikor szükség lesz egy természetes állandókon alapuló mérőrendszerre. Egyetlen idegen civilizáció sem értene egyet velünk a Le Grand K szabványosított súlyában, de mindannyiunknak képesnek kell lennie arra, hogy megmérje ugyanazt az energiát, amely egy fotonból származik az univerzum bármely pontján.

A kilogram nemzetközi prototípusát a BIPM központjában, a Párizson kívüli Pavilion de Breteuil-ben őrzik. Kép a BIPM jóvoltából.

"Akár ismerjük őket, akár nem, az univerzumot irányító természeti törvények szükségesek és állandóak" - mondta Pratt. "A világegyetem kezdetétől egészen mostanáig nem láttunk bizonyítékot arra, hogy ezek az állandók változnának. Nagyjából lefedik az ismert univerzumot és minden idõszakot."

A közelgő szavazás után ezek az állandók meghatározzák a globális mérési rendszert. Minden embernek, és mindenkor.

"Az SI egységrendszer végre valóban univerzális rendszer lesz, minden emberi tárgytól mentes" - mondta Max Fagin repüléstechnikai mérnök, akinek a metrológiáról szóló tweetjei nemrégiben vírusosak lettek. - És ez számomra mélységesen szép dolog.

Balra: A technikus a Kibble mérlegen dolgozik. Kép a BIPM jóvoltából.