A világ csak újradefiniálta a kilogrammot

Összetett tudományt és gyönyörűen egyszerű filozófiát foglal magában.

Írta: Brian Resnick
2018. november 16-án 14:55
Brian Resnick fényképei

Negyven láb mélyen a Maryland-i Gaithersburgban, egy világos fehér laboratóriumban, amelyhez három külön kulcsra van szükség. Az Egyesült Államok értékes kisméretű, fényes fémhengerek gyűjteményét tárolja, amelyek szó szerint meghatározzák minden ország tömegét ebben az országban.

Gyönyörűek, tükrös kivitelűek, és ellen kell állnom a vágynak, hogy megérintsem őket. Ha mégis hozzányúlnék hozzájuk, megfertőzhetem őket a bőröm olajával, és növelhetem a súlyukat. Patrick Abbott, a „kilogramm őrzője” itt, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézetben (NIST) azt mondja nekem, hogy ez nagyon rossz lenne.

Jelenleg a kilogrammnak nagyon egyszerű meghatározása van: Ez egy platina-irídium ötvözet tömege, amelyet 1889 óta a francia Sèvres-i Nemzetközi Súly- és Mérőiroda tart. Ez az úgynevezett Nemzetközi Kilogram prototípus (más néven Big K, vagy Le Grand K), és sok példánya van szerte a világon - köztük hét a Gaithersburgi NIST-ben - amelyeket a mérleg kalibrálásához használnak, és megbizonyosodnak arról, hogy az egész világ egy mérőrendszeren van.

Itt található a NIST egyik példánya, amelyet K4-nek hívnak, ugyanabból a fémdarabból kovácsolva, amelyből a Big K-t a XIX.

Nézd meg alaposan. Mert nagyon hamar megváltozik ez a 129 éves kilogrammérték.

Pénteken a világ minden tájáról érkező tudósok találkoztak a súlyok és méretek általános konferenciáján, a franciaországi Versailles-ban, és megszavazták a kilogramm meghatározásának megváltoztatását, amely egyetemes jellegűhez kötötte. A változás 2019. május 20-án lép életbe.

A változás egyik fontos oka, hogy a Big K nem állandó. Körülbelül 50 mikrogrammot veszített (kb. A szempillák tömegéből) létrehozása óta. De, frusztráló módon, amikor a Big K elveszíti a tömegét, akkor is pontosan egy kilogramm, a jelenlegi meghatározás szerint.

Amikor a Nagy K megváltozik, minden másnak igazodnia kell. Vagy még ennél is rosszabb: Ha ellopnák a Big K-t, akkor világunk tömegmérési rendszere káoszba lendülne.

A pénteki szavazással a világ legjobb mérőtudósai úgy döntöttek, hogy a kilogrammot a Planck-konstanshoz rögzítik, ami a kvantummechanika alapvető fogalma, amely soha, soha nem változhat - itt a Földön vagy az univerzum mélypontjain.

Ez több mint tudományos győzelem. Filozófiai is, amint azt a NIST tudósoktól megtudtam, akik évek óta dolgoznak az újrafogalmazáson, és ezt a pillanatot egész karrierjük legizgalmasabb időszakának nevezik.

Az új meghatározással a Súlyok és Méretek Általános Konferenciája kiegészíti a metrikus rendszer eredeti álmát, amelyet a francia forradalom közepette befogadott. A metrikus rendszert - amely az Egységek Nemzetközi Rendszerévé (SI) fejlődött - úgy tervezték, hogy „mindenkor, minden ember számára”.

"A tárgyak mindig változnak" - mondja Stephan Schlamminger, az újradefiniálással foglalkozó NIST-tudós. Az új definícióval azt mondja, hogy „a tárgyról megyünk” a Földön „a mennyekben lévő dolgokhoz”.

És ezt érdemes megünnepelni. Egy olyan világban, ahol minden látszólag mindig váltakozik, ezek a tudósok most arról gondoskodtak, hogy a kilogramm soha ne változzon.

A kilogramm rövid története

Honnan tudod, hogy mit nyom valami? Tudom, van egy nyilvánvaló válasz: Ön egy skálára tette.

De amikor elmész egy élelmiszerboltba, és lemér egy csomó almát, honnan tudja ez a mérleg, hogy milyen egy font gyümölcs?

Ahhoz, hogy a tömegméréseknek értelme legyen, rögzített összehasonlítási pontra van szükségünk. Ezeknek az almáknak nagyobbnak vagy kisebbnek kell lenniük, mint valaminek. A káosz elkerülése és a gazdaságunk működése érdekében ezt a valamit egyetemesen fel kell ismerni.

Az Ön élelmiszerboltjának mérlegét olyan tömeggel kalibrálták, amelyet kalibráltak egy tömeggel, és így tovább. És ezek a kalibrációk egészen ide, a NIST belébe vezetnek. A következetes súlyok és méretek nem csak az élelmiszereknél fontosak: Képzelje el, ha a Boeing nem tudná pontosan kitalálni, hogy mi a súlya egy repülőgépnek, vagy ha a gyógyszeripar nem tudja meghatározni egy apró, potenciálisan halálos gyógyszeradag pontos tömegét.

Az Egyesült Államokban továbbra is császári egységeket használunk: font és uncia. De valójában minden mérésünk a Nemzetközi Egységrendszerből, vagy SI-ből származik, amely métereket és kilogrammokat használ a hosszúság és a tömeg alapegységeként.

Ha tömeg van az Egyesült Államokban, minden ezekre a korong alakú hengerekre vezethető vissza, amelyeket pontosan megmunkálva 1 kilogramm súlyúak. Hivatalosan az Egyesült Államokban 1 fontként 0,45359237 kilogrammot határoznak meg. A láb meghatározása 0,3048 méter.

De a rendszer nem volt mindig ilyen rendezett. A francia forradalom és a metrikus rendszer feltalálása előtt a súly- és mérőrendszerek az egész világon kaotikus, rakoncátlan rendetlenséget jelentettek.

"Képzeljen el egy olyan világot, ahol minden utazásakor különböző konverziókat kellett használnia a mérésekhez, mint mi a valutához" - magyarázza Madhvi Ramani, a BBC. "Ez volt a helyzet a francia forradalom előtt a 18. század végén, ahol a súlyok és mértékek nem csak nemzetenként, hanem a nemzetek között is változtak."

A francia forradalom a feudális korból megmaradt, archaikus, kaotikus hierarchiák megdöntéséről és a társadalom átalakításáról szólt, az egyenlőség elveit szem előtt tartva.

A forradalom ihletésére az akkori tudósok egy új, következetes mérőrendszerrel akartak újrakezdeni, az egységeket nem a királyok önkényes megbízásaira, hanem a természetre alapozva. A cél egy mérőrendszer létrehozása volt „minden időre, minden emberre”.

Így amikor az 1800-as évek végén Franciaországban megalapították a Nemzetközi Súly- és Mérőirodát, a mérőt - a szokásos hosszegységet - úgy hozták létre, hogy az Északi-sark és az Egyenlítő közötti távolság tízmilliomod része legyen. A gramm a víz sűrűségéből merít ihletet: nagyjából megegyezik 1 köbcenti víz 4 ° C-on tartott tömegével.

Ezen új egységek terjesztése érdekében - annak biztosítására, hogy a világon mindenki megértse őket - a metrikus rendszer feltalálói úgy döntöttek, hogy fizikai objektumokat hoznak létre azok megtestesítésére és meghatározására. Pontosan 1 méter hosszú fémrudat készítettek. Létrehozták a Big K-t, amely 1 kg vagy 1000 gramm tömegét képviseli.

A 19. század óta a régi metrikus rendszer összes fizikai emlékét felváltották az állandó természeti erőkhöz rögzített mérések. A mérőt eredetileg a Föld méretének arányában határozták meg. De még a világ alakja sem állandó. A fene tudja, hogy a Föld nem is állandó. Tehát ma a mérőt a fénysebesség határozza meg. A második a cézium elem atomjainak mozgásához kapcsolódik.

Egyelőre csak a kilogrammot határozza meg egy fizikai objektum.

Mi tehát a kilogramm új meghatározása? Készítsd fel magad, mert ez egy kicsit döcögős.

A kilogramm újrafogalmazásának tudománya a Planck-állandó szempontjából - magyarázta

A súlyok és méretek általános konferenciájának pénteki szavazása egyhangúlag telt el. De a változások csak 2019 májusában lépnek életbe. Amikor bekövetkezik a változás, a következőképpen fogják meghatározni a kilogrammot az egységek nemzetközi rendszerében:

A kilogramm, a kg szimbólum az SI tömegegysége. Ezt úgy határozzuk meg, hogy a Planck-állandó h állandó számértékét 6,626 070 15 × 10-34-nek vesszük, ha azt J s egységben fejezzük ki, ami megegyezik kg m2 s -1 értékkel, ahol a mérőt és a másodikat a c és ∆νC értékeket.

Sokkal nehezebb megmagyarázni, mint egy fémdarabot Franciaországban. De próbáljuk meg.

Alapvetően a Súlyok és Mérések Általános Konferenciája rögzíti a Planck-állandó értékét, amely leírja, hogy az anyag legkisebb bitjei hogyan diszkrét lépésekben vagy darabokban szabadítják fel az energiát (kvantumoknak nevezik).

A pénteki szavazással a Planck-állandó most és örökké 6,62607015 × 10-34 m2 kg/s lesz. A Planck-állandó ezen állandó értékéből pedig a tudósok levezethetik egy kilogramm tömegét.

Ez az újradefiniálási erőfeszítés évtizedeket vett igénybe, mert a Planck-állandó apró (tizedesponttal kezdődik, és 33 nulla követi), és egy egészen apró hibahatárig kellett kiszámítani. A munka gondos méréseket igényelt egy hihetetlenül bonyolult géppel, az úgynevezett Kibble mérleggel (erről bővebben az alábbiakban), valamint egy rendkívül kerek szilíciumgömb megfigyeléséről.

Lehet, hogy ez a magyarázat nyers. És ez. De annak jobb megítélése érdekében hasznos megvizsgálni, hogy a mérő - a világ szabványos hosszegysége - hogyan lett újradefiniálva a fénysebesség szempontjából, példaként arra, hogy miért volt erre szükség.

A mérőt eredetileg egy rúd hosszaként határozták meg a francia Nemzetközi Súly- és Mérőirodánál. (Ezután újradefiniálták, hogy egyenlő legyen a sugárzás bizonyos hullámhosszával.) Ismét a definíció problémája a pontatlansága volt. Nem a világegyetem változatlan tulajdonságain alapult.

A fénysebesség viszont változatlanul 299 792 458 méter másodpercenként. Nem számít hol vagy, a tudósok úgy vélik, hogy ugyanaz marad. (Legalább, ha változik, az leginkább felborítana mindent, amit a fizikáról tudunk.)

1983-ra a fizikusok nagyon jól megértették a fénysebességet. Tehát örökre rögzítették a mérő hosszát, állandóvá tették. Így teheti meg: Újra definiálták a mérőt, hogy megegyezzen a fény vákuumban 1/299 792 458 másodperc alatt megtett távolságával. Lényegében a mérő meghatározása most a fénysebesség meghatározásába süllyed.

Van ennek egy költészete: A tudósok vették a mérőt - egy tetszőleges hosszúságmérést, amelyet az emberek találtak ki - és rögzítették egy univerzális állandóra. Rendetlen emberi méréseink meghaladták rendetlen emberségüket; örök igazsággal olvadtak össze.

Az új, világos fénymérő megegyezik a párizsi régi mérőórával. De a régi párizsi standarddal ellentétben a mérő meghatározása soha, soha nem változhat.

Ugyanez történik a Planck-állandóval is. A fénysebességhez hasonlóan a Planck-állandó is univerzális igazság, amely soha nem fog megváltozni.

A Planck-állandó - amelynek egységei tartalmazzák a kilogrammot - végső értékének beállításával, hasonlóan a fénysebesség mértékegységeihez a mérőórához - a kilogramm mérete örökké stabil. Így is gondolhat rá: A kilogramm örökre lehorgonyzott a Planck-állandóhoz, ahol pihenni fog.

(Talán, ha figyelmesen olvastad, észrevetted, hogy itt van egy kis csirke-tojás probléma. Hogyan próbálsz meghatározni egy métert a fénysebesség szempontjából, ha a fénysebesség mérésed tartalmazza a „méter” egységet is? Ugyanez a helyzet a Planck-állandó esetében is: Egységében kilogrammokat tartalmaz. Rövid válasz: Ezért van az, hogy az ezen a problémán dolgozó emberek doktorok.)

A Kibble mérleg az a gép, amely mindezt lehetővé teszi

A kilogramm újradefiniálása a Planck szempontjából óriási kihívást jelentett, amelynek végrehajtása évtizedekig tartott.

Egyrészt a tudósoknak képesnek kellett lenniük a Planck-állandó rendkívül pontos mérésére. Ha a fénysebességre vonatkozó becslésünknek nagy hibahatára lenne, akkor nem lenne megbízható horgony mérni egy métert. Ugyanez vonatkozik a Planckra is.

Évtizedek óta a NIST tudósai, valamint a világ néhány más laboratóriuma a Kibble-mérleg (amelyet néha watt-mérlegnek is neveznek) géppel a Planck-állandó pontos mérésére elegendő gondossággal felhasználható a kilogramm újradefiniálására.

A kilogramm mércéhez hasonlóan a Kibble mérleg is a NIST mélyén található. Olyan betonpadlóra épül, amely szó szerint lebeghet az épület alapja felett, hogy érzékeny berendezéseit jobban elszigetelje a létesítmény többi részének esetleges rezgéseitől. Műanyag hálót kell viselnem a hajam és a cipőm felett, hogy megnézhessem, mert bármilyen törmelék kidobhatja a kalibrálásból.

Ha a viktoriánusok építettek volna egy időgépet és leparkolták volna egy sörfőzdében, azt képzeltem volna, hogy valami ilyesmi nézne ki.

A Kibble mérleg némileg úgy működik, mint egy egyszerű tömegmérleg. Kép, amelyet Lady Justice tart a kezében: Két serpenyője van, amelyek egy központi ponton egyensúlyoznak. Egy egyszerű mérleg összehasonlítja az egyes serpenyők két súlyát azzal a céllal, hogy kiegyenlítsék őket.

A Kibble-mérleg, amelyet néhai feltalálójáról, Bryan Kibble brit fizikusról neveztek el, valami hasonlót csinál, de kvantummechanikai csavarral. A tárgy tömege által kifejtett mechanikai energiát egyenértékű elektromos energiával hasonlítja össze.

Bonyolult a képlet, amelyet a Kibble-mérleg eredményez a tömeg és az elektromos teljesítmény egyenlőségére. (A NIST tudósai az alább látható táblához vezettek magyarázatot.)

Ami fontos, hogy ebben az egyenletben - az összes játékban lévő változó között, amelyek magukban foglalják a tömeget, a sebességet, a gravitációs húzóerőt, a mágnesességet és az elektromosságot - fekszik a Planck-állandó. Ezzel a géppel a tudósok meg tudták oldani Planck számára. A matematika azért működik, mert ahogy Albert Einstein a leghíresebb E = mc2 egyenletével tanított nekünk, a tömeg és az energia lényegében ugyanazon dolog különböző kifejezései.

Most arra gondolhat: Mit csinál a Kibble egyensúly most, amikor meghatározta a Planck-állandót?

Nos, ez helyettesíti a Big K szükségességét Franciaországban, mert most már tudja a kilogramm tömegét a Planck-állandó szempontjából. Ez egy pontos mérés lesz, egy módszer annak biztosítására, hogy a kilogramm továbbra is egy kilogramm legyen, amellyel meg lehet mérni a tárgyakat és meghatározni azok tömegét az új szabvány szerint.

"Jelenleg a [Big K] stabilitásának minőségbiztosítása a megállapodáson alapszik" - mondja Abbott. „Azt mondjuk, hogy ez nem fog változni. Minőségbiztosításunk a Kibble mérleggel kapcsolatban az, hogy a természet állandóságán alapul, amelyet az egész világ szigorúan mér. és tudjuk, hogy ez nem változik. Ez a különbség a világon. ”

A súlyok és mértékek demokratizálása folyamatban van

Ha áttekintette az egészet, a következőképpen alakul ez a változás: Nem lesz többé szükségünk sem kormányra - az Egyesült Államok, Franciaország, akárki -, sem egy nemzetközi irányító testületre, hogy megmondja, mi a kilogramm. A világegyetem alapvető igazsága lesz, mindenki számára elérhető, aki rendelkezik megfelelő felszereléssel annak megvalósításához.

Elméletileg bárki felépíthet egy Kibble-mérleget. (Azt mondják, hogy miniatürizáltak vannak útközben.) „Meg tudják építeni ezt a kísérletet, és megmérhetnek bármilyen tömeget, amit csak akarnak, bármilyen anyagot, csak tegyék a mérlegre, és megkapja a tömeg értékét, abszolút, a Planck-állandó szempontjából ”- mondja Darine El Haddad, aki a NIST-nél vezeti a Kibble mérlegkísérletet. A Kibble mérleg lehetővé teszi az „abszolút mérést”, mondja.

A jövőben a feldolgozóiparnak nem kell elküldenie súlyát és mérlegét a NIST-hez kalibráláshoz. Kibble mérlegük lehet a gyár szintjén. Ennek fényében az új meghatározás demokratikusabb - olyan, amelyet szabadon használhatunk az egész világon, és nem zárva tartjuk Franciaországban.

Van néhány nagy hátránya a változásnak. "Az emberek nem is értik a metrikus rendszert" - mondja Abbott. - Hogyan fogja megmagyarázni a Kibble-mérleget? A definíció bonyolultsága kikapcsolhatja azokat az embereket, akik meg akarják ismerni a tudományt. Egy általános iskolás gyermek megértheti, hogy egy darab fém súlya kilogramm, de a kvantummechanika?

Schlamminger azzal érvel, hogy bár az új meghatározás technikailag bonyolultabb, „filozófiailag egyszerűbb”. A kilogrammot hamarosan a világegyetem alapfizikája határozza meg, nem pedig valami emberi machináció.

Schlammingernek a metrikus rendszer alapszavait „minden időre, minden emberre” tetoválják a karján, a Planck-állandó számjegyei mellett. Ilyen erősen hisz az ideálban. Úgy látja, hogy ez a munka „befejezi az ívet, amely a francia forradalommal kezdődött”. És teljes: A pénteki szavazással a kilogramm örökké, minden időkre és minden emberre érvényes.

Óriási erő rejlik a megértésben. A Vox megválaszolja legfontosabb kérdéseit, és világos információkat nyújt az egyre kaotikusabb világ értelmezéséhez. A Vox pénzügyi hozzájárulása segít abban, hogy továbbra is ingyenes magyarázó újságírást nyújtsunk azoknak a millióknak, akik támaszkodnak ránk. Kérjük, fontolja meg, hogy ma hozzájáruljon a Vox-hoz, már 3 dollárból.