A tudósok a világ súlycsökkentési problémájának megoldására szavaznak

A kilogramm, amiről az emberek tudják, hamarosan örökre megváltozik

2018. november 15, 6:45

[MEGJEGYZÉS: Ezt a történetet frissítettük (lásd lent) a szavazás elszámolása érdekében.]

November a választások ideje, és nem csak az Egyesült Államok szavazói számára. November 16-án tudósok százai gyűlnek össze a franciaországi Párizsban az idei, ha nem ebben az évszázadban, a legszokatlanabb választásokon. Talán valaha. A szavazó tudósok nem új vezetőket választanak vagy új törvényeket fogadnak el.

Szavazni fognak valami elemibbre: egy meghatározásra.

Ha a szavazás sikeres, akkor véglegesen megváltoztatják a kilogram szó jelentését. A változás segít a tudósoknak és mérnököknek a pontosabb mérésben. A szakértők egy évtizede készültek erre a szavazásra. Miután elvégezték a dolgukat, megoldanak egy fenyegető problémát - és a világ többi része észre sem veszi.

Oktatók és szülők, iratkozzon fel a csalólapra

Heti frissítések, amelyek segítenek a Science News for Student tanulási környezetben történő felhasználásában

"Megyek, és szavazok" - mondja Peter Mohr. Fizikus a National Institute of Standards and Technology (NIST) Gaithersburgban, Md. Ő is felelős, legalábbis részben a szavazásért. Húsz évvel ezelőtt Mohr segített dolgozni abban az érvben, hogy a kilogrammnak új meghatározásra van szüksége.

Arra számít, hogy a szavazás röpke színnel telik el. "Remélhetőleg nem lesznek meglepetések" - mondja. - De soha nem lehet tudni.

Ahhoz, hogy megértse, miért nagy gond a kilogramm megváltoztatása, meg kell fontolnia, mit jelent most ez a szó. És ennek megértéséhez meg kell látogatnia egy biztonságos boltozatot Európában. Ezt a csendes, kis szobát csak évente egyszer nyitják meg.

A kilogramm

A föld alatti boltozat a francia Sèvres-ben található, Párizs közelében. Belsejében egy szokatlan kincs található, becenevén Le Grand K. Ez a Kilogram Nemzetközi Prototípusaként vagy IPK-ként is ismert. Ez egy zömök henger, csiszolt fémből. Kb. Olyan magas, mint valaki hüvelykujja, és átmérője megegyezik a magasságával. Egy vákuumzáró csengőedény belsejében fekszik, és puszta kéz soha nem kezeli!

A boltozat kinyitásához nem egy, hanem három kulcsra van szükség, amelyek mindegyike egy másik személy birtokában van. Hao Fang-nak nincs kulcsa, de bent volt a szobában. A Le Grand K. gondozását végző Nemzetközi Súly- és Mérőiroda fizikusa. Minden évben egy kis tudóscsoport tagja, akik a boltozatba lépve meglátogatják a hengert.

"Ez egy kis szoba, sok érzékelővel" - mondja. „Csak rövid ideig tartózkodunk, mert nem akarjuk zavarni a környezetet. Ellenőrizzük, hogy minden rendben van-e.

Ez sok gondnak tűnhet, de a Le Grand K nem akármilyen rendes henger. Valahányszor lemér valamit vagy megméri annak tömegét, a mérés pontossága a Le Grand K-tól függ.

Ez azért van, mert ez a kíváncsi és fényes kis doodad a kilogramm pontos meghatározása - legalábbis november 16-ig.

Kilogrammokkal írják le egy objektum tömegét, amely megmondja, hogy az objektum mennyi anyagot tartalmaz. A tekegolyó tömege körülbelül 5 kilogramm. A kosárlabda tömege körülbelül 0,5 kilogramm. Ha összehasonlítja ezt a két számot, megerősítheti azt, amit már tudott, amikor felvette őket. A bowling labda több anyagot tartalmaz, mint egy kosárlabda.

Ha valahol él, ahol a tömeg fontban van, akkor az új változás Önt is érinti. Ennek oka, hogy egy font meghatározása 0,4536 kilogramm. Ez a teke labda 11 font. A kosárlabda pedig 1,1 font. Ez pedig azt jelenti, hogy ha változik a kilogramm meghatározása, akkor változik a font meghatározása is.

Jelenlegi definíciónk szerint az, hogy megjegyezzük, hogy a tekegömb tömege 5 kilogramm, megegyezik azzal, hogy megjegyezzük, hogy pontosan ötször annyi anyagot tartalmaz, mint Le Grand K. (De természetesen nem így tanuljuk meg, vagy Ezt nem azért mondjuk, mert sok szó van, és mert nevetségesnek hangzik.) Minden tömegmérés, függetlenül attól, hogy hol, vagy mi történik, függetlenül attól, hogy mekkora vagy kicsi, Le-re vezethető vissza. Grand K.

És ez probléma, mondják a szakértők. Ha olyan egységet definiál egy fizikai objektummal, mint a Le Grand K, akkor furcsa problémákat kell figyelembe vennie. Például: Mi lenne, ha valami történne a hengerrel?

"Ha valaki eldobja az IPK-t, a világ tömege megváltozik" - mondja Stephan Schlamminger. A NIST fizikusa, aki az új meghatározáson dolgozik. A másodperc törtrésze alatt megjegyzi, hogy „mindenkinek rossz lesz a mérése”.

Magyarázat: A Quantum a szuper kicsik világa

De ennek a helyzetnek hamarosan meg kell változnia. A tudósok várhatóan megszavazzák, hogy a kilogrammot ne határozzák meg Le Grand K. tömegeként. Ehelyett a kilogrammot egy matematikai képlet alapján határozzák meg, amely az univerzum természetes állandóját használja. Planck állandójának hívják. Az állandó olyan szám, amely nem változik. Planck állandója az a szám, amely akkor jelenik meg, amikor a tudósok kvantummechanikát tanulmányoznak. Ezek a szabályok írják le a szubatomi részecskék viselkedését.

Ez az első alkalom, hogy a tudósok a kilogramm új meghatározása mellett döntöttek?

Nem. A pontos tömegegységre való törekvés hosszú múltra tekint vissza. A történészek tudják, hogy a rómaiaknak például súly- és mértékrendszerük volt. De a 18. század végén a tudósok az egész világon frusztrálódtak, mert az egységek országonként eltérő értékekkel bírtak.

1799-ben, a francia forradalom idején, a tudósok egy speciálisan kialakított réz fémrudat fogadtak el egy méter (3,3 láb) meghatározásaként. Egy kis platina henger lett az egy kilogramm (2,2 font) meghatározása. A henger fagypontja közelében 1000 köbcenti víz tömegét képviselte.

Ez a két objektum jelentette a metrikus rendszer kezdetét. 1889-ben a világ minden tájáról érkeztek tudósok Párizsba egy értekezletre, hogy megegyezzenek azokban az egységekben, amelyeket mindannyian használni fognak. A Súlyok és Méretek Általános Konferenciájának hívták. Ez ugyanaz a csoport, amely ebben a hónapban összeül és szavaz. (Bár természetesen különböző tagokkal.)

A metrikus rendszer továbbra is a leggyakrabban használt rendszer a világon.

Amúgy mi a metrikus rendszer?

A metrikus rendszer olyan mérőrendszer, amely hét úgynevezett „alapegységet” használ. Az egységek nemzetközi rendszerének részei. Röviden SI rendszernek hívják. A méter és a kilogramm két alapegység. A többiek közé tartozik a második (idő), a kelvin (hőmérséklet), az amper (elektromos áram), a kandela (a fény intenzitása) és az anyajegy (molekulák száma).

A metrikus rendszert különlegessé teszi, hogy a 10-es számra épül. Például 10 milliméter egy centimétert alkot. 100 centiméter (100 pedig 10-szer 10) tesz ki egy métert.

Soha nem hallottam néhány ilyen alapegységről.

Ha továbbra is a természettudományt tanulja, akkor mindannyiukkal találkozni fog.

Az Egyesült Államokban élek, a hosszúságot lábban vagy mérföldben, a súlyt fontban mérjük. Miért érdekelne?

Az Egyesült Államok nem használja az SI rendszert. Ehelyett „szokásos egységeket” használ. Ebben a rendszerben a hosszúságot olyan egységek segítségével mérik, mint a láb és a hüvelyk. Az emberek fontot mérnek fontban. Ez a rendszer nem a 10-es számon alapul. Például 12 hüvelyk alkotja a lábát. Három láb alkot egy udvart. 1760 yard pedig egy mérföldet tesz ki.

Ezeket a szokásos egységeket azonban SI egységek határozzák meg. Egy font például pontosan 2,2 kilogramm. Tehát a kilogramm meghatározásának megváltoztatása megváltoztatja a font definícióját.

Ez hihetetlenül zavaróan hangzik. Miért nem mindenki ugyanaz a rendszer?

Nehéz új egységeket megtanítani egy régi országnak.

Bírság. Használnak-e a tudósok még mindig rézrudat a mérő meghatározásához?

Nem. A kilogrammhoz hasonlóan a mérőnek is több száz éves múltra tekint vissza a tudományos vita. 1960-ban a tudósok megszavazták a rézrúd visszavonását. Felismerték, hogy ha a rúd megváltozik, még egy kicsit is, akkor a mérő fogalma megváltozik. Például mi van, ha egy földrengés megdönti a rudat, és elveszít néhány atomot?

Megváltoztatták a méter meghatározását az elektromágneses hullámok hosszára, amelyet a kripton-86 elnevezésű kriptonelem formája vált ki. A Krypton-86 radioaktív. Ez azt jelenti, hogy hullámok formájában bocsát ki energiát.

Két évtizeddel később a tudósok újra pontosították a mérőt. Csatlakoztatták a fénysebességhez vákuumban. Ez a fénysebesség természetes állandó. Soha nem változik és pontosan mérhető. Egy másodperc alatt a fény 299 792 458 métert tesz meg (186 282 mérföld). 1983 óta egy méter megegyezik azzal, hogy a fény mennyit halad 1/299 792 458 másodperc alatt.

Említettél egy csomó más egységet.

Pontosabban öt.

Hadd találgassak. Szavazásra is készülnek?

Néhányan. A metrológusok…

Álljon meg! Mi az a metrológus?

A metrológia a mérés vizsgálata. A metrológus olyan személy, mint Hao Fang, a tudós érdekli, hogyan mérjük a dolgokat.

Ok, meg van. Folytatni.

Tehát olyan metrológusok, mint Peter Mohr, Hao Fang és Stephan Schlamminger, az összes SI egységet alapvető állandókhoz akarják kapcsolni.

Mint ahogyan a mérő a fénysebességhez kapcsolódik.

Pontosan. Novemberben a kilogrammon kívül a tudósok a kelvin, az amper és a vakond új meghatározásairól szavaznak. Mindezek az egységek a természetes állandókhoz vannak kötve. A kilogramm az egyetlen egység, amely még mindig egy fizikai tárgyhoz, a Le Grand K-hoz kapcsolódik.

Mi a természetes konstans neve az új meghatározásban?

Nem tudom mi ez.

Max Planck német fizikusról kapta a nevét, aki 1918-ban elnyerte a fizikai Nobel-díjat. Megmutatta, hogy a fotonok - a fénnyel összefüggő részecskék - által továbbított energia csak kvantumoknak nevezett kis csomagokban létezhet. Planck állandója összeköti ezt az energiát a fény hullámhosszával. Kvantummechanikát kell tanulnia, hogy többet megtudjon, de megéri a fáradságot.

Térjünk vissza a Le Grand K.-ra. További kérdéseim vannak erről a fényes hengerről.

Miből készült?

90 százalék platina és 10 százalék irídium.

Vajon az egyetlen a maga nemében?

Igen és nem. A franciaországi IPK a hivatalos kilogramm. De sok országnak vannak saját példányai. Minden példányba számot vésnek. A nemzetek ezeket a példányokat nemzeti szabványként használhatják, ezért a metrológusoknak nem kell minden alkalommal Franciaországba menniük, amikor ellenőrizni akarják munkájukat. A tömeg ellenőrzése ezen előírások bármelyikével szemben nehézkes. És ez csak az egyik probléma, amikor a Le Grande K-t szokták használni kilogrammonként.

Mik a további problémák?

Néhány évtizede a tudósok kinyitják az értéktárat, hogy megtisztítsák és ellenőrizzék az IPK-t. Ez egy hosszú és elhúzódó gőztisztítási folyamat, és a hengeret speciális csipesszel és kesztyűvel kell kezelni. Ezeknek az ellenőrzéseknek az egyikében, 1993-ban találtak a tudósok egy nagy problémát. Amikor a metrológusok összehasonlították a Le Grand K-t annak hivatalos példányaival, azt találták, hogy a példányok súlya meghaladja a Le Grand K.-t. Ez azt jelentette, hogy vagy mindannyian tömegeket szereztek, vagy a Le Grand K elvesztett néhányat. De ha a Le Grand K elvesztette a tömegét, akkor a kilogramm meghatározása eltolódott.

Ez nemcsak a kilogrammot mérni akaró emberek számára jelent problémát. "Más egységek a kilogramm meghatározásától függenek" - mondja Fang. „Tehát ha az IPK tömegében változik, akkor a többi egység is változik. Ez baj."

Lehet-e egy másik kilogramm meghatározással leküzdeni ezeket a problémákat?

A tudósok évtizedek óta vitatkoznak erről. Számos módszert javasoltak a kilogramm újradefiniálására. Az egyik magában foglalja a szilíciumból készült tökéletes gömbök használatát. A gömb atomjainak megszámlálásával és matematikai egyenlet használatával megmérhetik Planck állandóját. Ezek a szférák fontos szerepet játszottak az újradefiniálás folyamatában.

Schlamminger ugyanakkor megjegyzi, hogy a szilícium gömbnek ugyanaz a problémája, mint Le Grand K-nak. „Ez lesz a műtárgy” - mondja. „És mindig aggódunk a műtárgy használata miatt. Elpusztíthatod. Vagy változtasson rajta. ”

A szilícium gömbök helyett a tudósok más módszert választottak Planck állandójának mérésére - és ezáltal a kilogramm újradefiniálására. Kibble-mérlegnek hívják.

Kibble, mint az állateledelben?

Nem, Kibble, mint Bryan Kibble-ben, a brit fizikusban, aki feltalálta. 2016-ban halt meg. A Kibble-mérleg (korábban Watt-mérlegnek hívták) egy mérleg, de nem olyan, mint amelyet a fürdőszobában használ. Elektromosságot és mágnesességet használ egy kis tárgy súlyának kiegyensúlyozásához. Az adott kiegyenlítő akció során elvégzett mérések felhasználhatók Planck állandójának megtalálásához. Miután meghatároztuk Planck állandóját, a skálát kalibrálni kell. Ezután a tudósok a Kibble mérleggel - és néhány matematikai egyenlettel - meghatározhatják az objektum pontos tömegét.

Miért jobb ez, mint az IPK?

Az a tény, hogy a kilogramm már nem lesz fizikai tárgy, számos előnyt nyújt. "A Kibble mérleg egy gép, és minél többet használja, annál jobban érzi magát" - mondja Schlamminger. Tudnia kell: Éveket töltött a gép legújabb verziójának megtervezésében és tesztelésében.

Emellett több Kibble-mérleg is létezik. A NIST-nek van egy. Tehát Kanada és Svájc. Franciaországnak kettő van. Több biztosan épül. Ez azt jelenti, hogy nem lesz szükség egy helyre utazni a hivatalos tömeg meghatározásához. És mivel az egyensúly meg tudja határozni a különböző méretű tárgyak tömegét, a tudósok nagy pontossággal képesek lesznek megmérni a sokkal kisebb és sokkal nagyobb dolgokat, mint egy kilogramm.

Tehát mi fog történni, ha a kilogramm az egyik definícióról a másikra változik?

Nem fog észrevenni mást. A tudósok hivatalosan elfogadják Planck állandójának értékét. Ettől kezdve ezt az értéket használják a tömeg meghatározásához. Az IPK-val való összehasonlítás helyett a Kibble mérleghez fordulnak, hogy kiderítsék egy objektum tömegét.

Mi lesz a Le Grande K-val?

Tantermi kérdések

"A történelmi érdekek miatt megtartjuk" - mondja Fang. "De már nem lesz az IPK szerepe." Pedig nem fog azonnal polcra állítani. Fang rámutat, hogy a Kibble mérleg egy bonyolult gép, amelynek működtetéséhez sok időre és ember-erőre van szükség. Rövid távon az IPK és nővérei szerte a világon továbbra is könnyebb módszerek a tömeg mérésére.

És a változás hivatalosan csak 2019. május 20-án lép életbe. Ezt a napot a metrológia világnapjaként ünneplik, mert 1875-ben, Franciaországban azt a napot ünneplik, amikor a tudósok megállapodtak abban, hogy ugyanazokat az egységeket használják tudományos méréseik során.

Hogyan ünnepeljek?

Frissítés: 2018. november 16-án a Nemzetközi Súly- és Mérőiroda ezt a nyilatkozatot tette közzé: „Ma egy mérföldkőnek számító határozatban 60 ország képviselői megszavazták az egységek nemzetközi rendszerének (SI) újradefiniálását, megváltoztatva a világ kilogramm meghatározását, az amper, a kelvin és a vakond örökre. ” Valójában csak 54 nemzet képviselői voltak jelen a szavazáson - jegyzi meg
Fiona Autry. De egyhangúlag beleegyezésüket adták egy szavazáskor 13: 40-kor. Közép-európai idő szerint - teszi hozzá. Autry a brit Nemzeti Fizikai Laboratóriumnál dolgozik.

(Megjegyzés: Ezt a történetet korrigálták egy korábbi elírási hiba miatt, leírva a henger mérete és az azzal megegyező víztömeg közötti kapcsolatot.)

Ossza meg ezt:

Idézetek

Folyóirat: P. Richard et al. Alapítvány a kilogramm újradefiniálásához. Metrologia. Vol. 53., 2016. szeptember 28., p. A6-A11. doi: 10.1088/0026-1394/53/5/A6.