Κλειδωμένο σε ένα θόλο που απαιτεί τρία κλειδιά για να ανοίξει, στην πόλη Sèvres, ακριβώς στα νοτιοδυτικά του Παρισιού, υπάρχει ένα κιλό. Στην πραγματικότητα, είναι το χιλιόγραμμο, το διεθνές πρωτότυπο του χιλιογράμμου (IPK), το χιλιόγραμμο στο οποίο πρέπει να ληφθούν τα υπόλοιπα κιλά, το Le Grand K. Αυτός ο κύλινδρος κράματος πλατίνας-ιριδίου βρίσκεται κάτω από τρία προστατευτικά υαλοκαθαριστήρες, σε περιβάλλον ελεγχόμενης θερμοκρασίας και υγρασίας, σε ένα ασφαλές μαζί με έξι επίσημα αντίγραφα, στο υπόγειο θόλο του Sèvres.
"Αν το χάσετε, θα ήταν ακόμα ένα κιλό, αλλά η μάζα ολόκληρου του κόσμου θα αλλάξει", λέει ο Stephan Schlamminger, φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Gaithersburg, Maryland.
Το IPK βγαίνει μόνο από το θησαυρό του κάθε 40 περίπου χρόνια, όταν χρησιμοποιείται για να βαθμονομεί τα αντίγραφα που μοιράζονται με χώρες σε όλο τον κόσμο το χαλκό με μέγεθος γκολφ, ακριβώς ένα κιλό εξ ορισμού από το 1889. Υπάρχει όμως πρόβλημα. Στο θησαυροφυλάκιο με το IPK υπάρχουν έξι τεστοί, ή «μάρτυρες» - τα επίσημα αντίγραφα. Με την πάροδο των ετών, όπως αποδεικνύεται από τις σπάνιες περιπτώσεις κατά τις οποίες το Le Grand K και οι μάρτυρές του έχουν μετρηθεί, η μάζα της ΙΡΚ "παρασύρεται".
Το διεθνές πρωτότυπο του χιλιογράμμου (IPK). (Φωτογραφία ευγενική προσφορά του BIPM) Οι περισσότεροι από τους μάρτυρες ζυγίζουν τώρα λίγο περισσότερο - ένα θέμα μικρογραμμαρίων ή εκατομμυριοστό του ενός γραμμαρίου από το IPK (αν και πολλά από τα αντίγραφα ήταν πιο μαζικά για να αρχίσουμε). Θα μπορούσατε να πείτε ότι η IPK χάνει μάζα, μόνο εσείς δεν μπορείτε να το πείτε αυτό, επειδή το IPK είναι αμετάβλητο και ακλόνητο ένα κιλό . Εκτός αυτού, οι φυσικοί δεν γνωρίζουν καν ότι η IPK χάνει μαζική μάζα ή κερδίζει μάζα μακροπρόθεσμα, απλώς ότι παρασύρεται αργά εξαιτίας ανεπαίσθητων ποσοτήτων υλικού που συσσωρεύονται από τον αέρα ή που τρίβεται κατά τη ζύγιση ή μολύνεται στο ασημένια επιφάνεια της IPK κατά τη διάρκεια ενός από τα σχολαστικά λουτρά της.
Όπως μπορείτε να φανταστείτε, αυτό το λεπτό drifting προκαλεί στους επιστήμονες πολλούς πονοκεφάλους - για να μην αναφέρουμε βιομηχανίες που βασίζονται σε μικρές και ακριβείς μετρήσεις μαζικής παραγωγής, όπως οι φαρμακευτικές εταιρείες.
"Αυτή τη στιγμή, το χιλιόγραμμο ορίζεται από τη μάζα ενός συγκεκριμένου αντικειμένου", λέει ο Ian Robinson του Εθνικού Φυσικού Εργαστηρίου (NPL) στο Νότιο Λονδίνο. "Και αν αυτό το πράγμα καταστραφεί ή αλλάξει ή τίποτα, είναι αμήχανη."
Ένα από τα αντίγραφα platinum-iridium της NIST του IPK, το K92, με μάζες από χιλιοστά ανοξείδωτου χάλυβα στο παρασκήνιο. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Ευτυχώς, οι μετρολόγοι του κόσμου έχουν μια λύση: επαναπροσδιορίστε το κιλό από την άποψη μιας φυσικής, καθολικής σταθεράς. Οι περισσότερες από τις μονάδες του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων (SI) έχουν ήδη οριστεί σύμφωνα με τις καθολικές σταθερές, όπως ο μετρητής, ο οποίος είναι επίσημα το μήκος που διανύθηκε με την ταχύτητα του φωτός σε κενό στο 1 / 299, 792, 458 του δευτερολέπτου. Φυσικά, αυτός ο ορισμός στηρίζεται στη δεύτερη, η οποία ορίζεται ως η διάρκεια των 9.192.631.770 περιόδων συγκεκριμένης συχνότητας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (μικροκύματα σε αυτή την περίπτωση) που προκαλεί το μετασχηματισμό του εξωτερικού ηλεκτρονίου ενός ατόμου του κεσίου-133 (αλλαγή από ένα κβαντικό μέτρηση του "spin up" σε "spin down", ή αντίστροφα).
Αλλά το κιλό, το τελευταίο εναπομείναν κομμάτι που ορίζεται από ένα τεχνούργημα, έχει αντισταθεί πεισματικά να επαναπροσδιορίσει - μέχρι τώρα. Στις 16 Νοεμβρίου, κατά την 26η σύνοδο της Γενικής Διάσκεψης για τα Μέτρα και τα Μέτρα, θα συναντηθούν εκπρόσωποι από 60 κράτη μέλη στο Sèvres για να επαναπροσδιορίσουν το χιλιόγραμμο σύμφωνα με τη σταθερά του Planck - αριθμός που συνδέει τη συχνότητα ενός κύματος φωτός ενέργεια ενός φωτονίου σε αυτό το κύμα. Και σύμφωνα με τον Richard Davis, έναν φυσικό με το Διεθνές Γραφείο Βάσεων και Μέτρων (BIPM), "αναμένουν σημαντική πλειοψηφία".
(UPDATE: Στις 20 Μαΐου 2019, οι αλλαγές στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων τέθηκαν επίσημα σε ισχύ, συμπεριλαμβανομένων νέων ορισμών για το χιλιόγραμμο, το άσπρο, το κελίνο και το μώλο).
Max Planck και Albert Einstein
Το 1879, το IPK μετατράπηκε από την εταιρεία πολύτιμων μετάλλων Johnson Matthey στο Λονδίνο, ο 20χρονος Max Planck υπεράσπισε τη διατριβή του. Στον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, γεννήθηκε ο Albert Einstein. Αν και οι δύο επιστήμονες δεν το γνώριζαν κατά τη διάρκεια των μαθημάτων της ζωής τους, η συλλογική δουλειά τους σχετικά με τη θεμελιώδη φυσική της βαρύτητας και της κβαντικής μηχανικής θα έρθει να θέσει τα θεμέλια για τον ορισμό του κιλού του 21ου αιώνα.
Τι είναι λοιπόν η σταθερά του Planck; "Σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, είναι δύσκολο να πούμε", λέει ο Davis.
Η σταθερά του Planck είναι πολύ μικρός: 6.62607015 x 10 -34, για να είμαστε ακριβείς, όπως θα οριστεί επίσημα κατά τη συνάντηση της 16ης Νοεμβρίου. Το 1900, ο Max Planck υπολογίζει τον αριθμό για να ταιριάζει με μοντέλα φωτός που προέρχονται από αστέρια, ταιριάζοντας την ενέργεια και τη θερμοκρασία των αστεριών με τα φάσματά τους από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (συλλογικά γνωστή ως ακτινοβολία μαύρου σώματος). Εκείνη την εποχή, τα πειραματικά δεδομένα υποδηλώνουν ότι η ενέργεια δεν είναι ελεύθερη να ρέει σε οποιαδήποτε τιμή, αλλά μάλλον περιέχεται σε δεσμίδες ή κβάντα - από τα οποία η κβαντική μηχανική παίρνει το όνομά της - και ο Planck χρειαζόταν να υπολογίσει μια τιμή για αυτά τα πακέτα ώστε να ταιριάζει με τα μοντέλα ακτινοβολίας μαύρου σώματος.
Πέντε βραβευμένοι με Νόμπελ, από αριστερά προς τα δεξιά: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan και Max von Laue, συγκεντρώθηκαν για δείπνο που φιλοξένησε ο von Laue το 1931. (Public Domain) Πέντε χρόνια αργότερα, ο Albert Einstein δημοσίευσε τη θεωρία του για την ειδική σχετικότητα, η οποία θα ερμηνευτεί ως η περίφημη εξίσωση E = mc 2 (η ενέργεια ισούται με τη μάζα φορές την ταχύτητα του τετραγώνου φωτός, μια επιρροή που η ενέργεια είναι ουσιαστικά συνδεδεμένη σε όλα ύλη του σύμπαντος). Υπολόγισε επίσης τη θεωρητική αξία ενός μοναδικού, θεμελιώδους κβαντικού της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας-τώρα γνωστό ως φωτόνιο- που είχε ως αποτέλεσμα τη σχέση Planck-Einstein, E = hv. Η εξίσωση δηλώνει ότι η ενέργεια ενός φωτονίου (E) ισούται με τη σταθερά του Planck (h) με τη συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ( v, που είναι το ελληνικό σύμβολο nu και όχι το "v").
"Ξέρετε ότι έχετε την ενέργεια ενός φωτονίου, το οποίο είναι hv, αλλά γνωρίζετε επίσης ότι έχετε την ενέργεια μιας μάζας, η οποία είναι mc 2 . [Έτσι], E = h v = mc 2 . Ακριβώς εκεί μπορείτε να δείτε πώς μπορείτε να πάρετε μια μάζα από τη σταθερά του Planck, τη συχνότητα των κυμάτων και την ταχύτητα του φωτός, λέει ο David Newell, φυσικός στο NIST.
Αλλά αυτό δεν είναι το μόνο μέρος που εμφανίζεται η σταθερά του Planck. Ο αριθμός χρειάζεται για να περιγράψει το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα που βασίζονται τα ηλιακά κύτταρα. Χρησιμοποιείται επίσης στο μοντέλο του ατόμου Niels Bohr και φαίνεται ακόμη και στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg.
"Είναι σαν να λέμε, λοιπόν, τι συμβαίνει με την Pi;" λέει ο Davis. "Τι είναι το Pi; Λοιπόν, είναι η περιφέρεια του κύκλου που διαιρείται με τη διάμετρο του κύκλου. Αλλά τότε η Pi εμφανίζεται παντού στα μαθηματικά. Είναι παντού. "
Το κλειδί που συνδέει τη σταθερά του Planck με το χιλιόγραμμο είναι η μονάδα του, το joule-second ή το J. s. Η σταθερά παίρνει αυτή τη μοναδική μονάδα επειδή η ενέργεια μετράται σε joules και η συχνότητα μετράται σε Hertz (Hz), ή σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο. Ένα joule ισούται με ένα χιλιόγραμμο πολλαπλασιασμένο με τετραγωνικά μέτρα διαιρούμενο με δευτερόλεπτα τετραγωνικά (kg · m 2 / s 2 ), οπότε με λίγες έξυπνες μετρήσεις και υπολογισμούς μπορεί κανείς να φθάσει στο χιλιόγραμμο.
Αλλά προτού μπορέσετε να πείσετε τον κόσμο να αλλάξει τον ορισμό της τυποποιημένης μονάδας μάζας, οι μετρήσεις σας θα είναι καλύτερα από ποτέ στην ιστορία της επιστήμης. Και όπως το θέτει ο Newell, "η μέτρηση κάποιου απόλυτου είναι σκληρή."
Μέτρο για το μέτρο
Συχνά θεωρούμε δεδομένο ότι ένα δευτερόλεπτο είναι ένα δευτερόλεπτο ή ένα μέτρο ένα μέτρο. Αλλά για την πλειονότητα της ανθρώπινης ιστορίας, τέτοια μέτρα χρόνου, μήκους και μάζας ήταν μάλλον αυθαίρετα, οριζόμενα σύμφωνα με τις ιδιοτροπίες των τοπικών εθίμων ή κυβερνητών. Ένα από τα πρώτα διατάγματα σύμφωνα με τα οποία πρέπει να τυποποιηθούν οι εθνικές μετρήσεις προέρχεται από το Magna Carta το 1215, το οποίο δηλώνει:
"Ας υπάρξει ένα μέτρο για το κρασί σε όλη τη βασιλεία μας, και ένα μέτρο για το αλεύρι, και ένα μέτρο για το καλαμπόκι, δηλαδή" η συνοικία του Λονδίνου "? και ένα πλάτος για ύφασμα είτε βαμμένο, σκουρόχρωμο ή halberget, δηλαδή δύο ελάσματα εντός των πλευρών. Αφήστε να είναι το ίδιο με τα βάρη με τα μέτρα. "
Αλλά μετά από τον Διαφωτισμό, καθώς οι επιστήμονες άρχισαν να ξεδιπλώσουν τους φυσικούς περιορισμούς του σύμπαντος, κατέστη προφανές ότι διάφορα πρότυπα μέτρου παρουσίασαν ένα σοβαρό εμπόδιο στην πρόοδο του είδους. Οι επιστήμονες εξαπλώθηκαν σε ολόκληρο τον κόσμο τον 18ο και 19ο αιώνα, μετρώντας τα πάντα από το ακριβές σχήμα της Γης έως την απόσταση από τον ήλιο - και κάθε φορά που έπρεπε να συγκριθεί με ένα αγγλικό γερμανικό σάκο (περίπου δύο μέτρα, ανάλογα με την περιοχή) αυλή (η οποία επίσης διαφέρει για το μεγαλύτερο μέρος της ύπαρξής της), οι αβεβαιότητες και οι ψεύτικες επικοινωνίες αφθονούν.
Ένα αντίγραφο του πρώτου προτύπου μετρητών, σφραγισμένο στην ίδρυση ενός κτιρίου στο 36 rue de Vaugirard, στο Παρίσι. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Οι Γάλλοι τελικά είχαν μια επανάσταση - όχι μόνο για την πολιτική αλλά και για μέτρα. Καθώς ο 18ος αιώνας έφτασε στο τέλος, το Βασίλειο της Γαλλίας εκτιμάται ότι είχε περίπου τέταρτο εκατομμύριο διαφορετικές μονάδες, καθιστώντας αδύνατη την παρακολούθηση όλων αυτών. Η Γαλλική Ακαδημία Επιστημών προέτρεψε την Εθνική Συντακτική Συνέλευση, η οποία συγκροτήθηκε κατά την έναρξη της Γαλλικής Επανάστασης, και δημιούργησε μια νέα μονάδα μήκους που θα γίνει το επίσημο μέτρο για τη χώρα: το μετρητή, το οποίο ορίζεται ως ένα δέκα εκατομμύριο της απόστασης από τον Βόρειο Πόλο μέχρι τον Ισημερινό.
Μια εκστρατεία αποστολής με επικεφαλής τους Γάλλους μαθηματικούς και αστρονόμους Jean Baptiste Joseph Delambre και Pierre Méchain τριγωνίστηκε την απόσταση ενός τμήματος αυτού του μήκους, που εκτείνεται από το Dunkirk στη Βαρκελώνη, για να υπολογίσει το νέο μετρητή. Οι μετρήσεις της έρευνας ολοκληρώθηκαν το 1798 και το νέο πρότυπο υιοθετήθηκε σύντομα στη Γαλλία.
Ο μετρητής ήρθε να αντιπροσωπεύει μια θεμελιώδη μονάδα μέτρησης, ορίζοντας το λίτρο (1.000 κυβικά εκατοστά) και ακόμη και το χιλιόγραμμο (μάζα ενός λίτρου νερού). Μέχρι το 1875 ο κόσμος ήταν έτοιμος να υιοθετήσει το μετρικό σύστημα και η σύμβαση μετρητών της ίδιας χρονιάς είδε τους αντιπροσώπους 17 χωρών να υπογράφουν τη Συνθήκη του Μετρητή, δημιουργώντας το Διεθνές Γραφείο Βάσεων και Μέτρων και προβλέποντας νέα πρότυπα μαζικής και μήκους χυτό σε κράμα πλατίνας-ιριδίου, ορίζοντας τον μετρητή και το χιλιόγραμμο για τον κόσμο.
Αλλά καθώς ένα κύμα επιστημόνων του 20ού αιώνα, όπως ο Πλανκ και ο Αϊνστάιν, άρχισαν να εξελίσσονται στη Νευτώνεια δομή της φυσικής, ανακαλύπτοντας νέους νόμους μεταξύ της απεραντοσύνης του Κόσμου και των θεμελιωδών στοιχείων του ατόμου, το σύστημα μέτρησης έπρεπε να ενημερωθεί αναλόγως . Μέχρι το 1960 δημοσιεύθηκε το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) και οι χώρες σε όλο τον κόσμο δημιούργησαν ιδρύματα μετρολογίας για τη συνεχή βελτίωση των επίσημων ορισμών των επτά βασικών μας μονάδων μέτρησης: το μέτρο (μήκος), το χιλιόγραμμο (μάζα), το δεύτερο ), αμπέρ (ηλεκτρικό ρεύμα), kelvin (θερμοκρασία), mole (ποσότητα ουσίας) και candela (φωτεινότητα).
Μια σφαίρα Avogadro από καθαρά άτομα πυριτίου-28. Μετρώντας τον όγκο της σφαίρας και τον όγκο ενός μόνο ατόμου πυριτίου-28, οι μετεωρολόγοι μπορούν να μετρήσουν τη μάζα ενός ατόμου στη σφαίρα, παρέχοντας μια μέθοδο για τον υπολογισμό του αριθμού των ατόμων σε ένα mole, που ονομάζεται αριθμός Avogadro, ο οποίος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστεί η σταθερά του Planck. (Φωτογραφία ευγενική προσφορά του BIPM) Από αυτές τις μονάδες βάσης μπορούν να υπολογιστούν όλες οι άλλες μονάδες. Η ταχύτητα μετράται σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο, τα οποία μπορούν να μετατραπούν σε mph και άλλες ταχύτητες. το βολτ μετράται σε όρους αθροισμάτων ρεύματος και αντίστασης σε ωμ. και ο ορισμός του ναυπηγείου είναι πλέον ανάλογος με 0, 9144 ενός μέτρου.
Σήμερα, όπως και κατά τον 18ο αιώνα, το ζήτημα της διύλισης τέτοιων μετρήσεων βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της επιστημονικής ικανότητας. Αν και ο επαναπροσδιορισμός του χιλιογράμμου είναι απίθανο να αλλάξει την καθημερινότητά σας, οι τελικές επιπτώσεις του καθορισμού ενός πιο ακριβούς συστήματος μέτρησης είναι συχνά ευρέως διαδεδομένες και βαθιές.
Πάρτε, για παράδειγμα, το δεύτερο. Από το 1967, ο ορισμός ενός δεύτερου βασίστηκε στη συχνότητα ενός λέιζερ μικροκυμάτων, και χωρίς αυτή την ακρίβεια, η τεχνολογία GPS θα ήταν αδύνατη. Κάθε δορυφόρος GPS μεταφέρει ένα ατομικό ρολόι, κρίσιμο για να διορθώσει το γεγονός ότι ο χρόνος περνάει απεριόριστα αλλά μετρίως βραδύτερος στους δορυφόρους μας, καθώς περιστρέφονται γύρω από τη Γη με υψηλές ταχύτητες - μια επίδραση που προβλέπεται από τη θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Χωρίς τον νέο ορισμό, δεν μπορούσαμε να διορθώσουμε αυτά τα μικροσκοπικά κλάσματα ενός δευτερολέπτου και καθώς αυξάνονταν, οι μετρήσεις του GPS θα έπεφταν μακρύτερα και μακρύτερα από την πορεία, καθιστώντας τα πάντα, από τους Χάρτες Google έως πυρομαχικά καθοδηγούμενα από το GPS, αλλά μόνο επιστημονική φαντασία.
Η σχέση μεταξύ του δεύτερου και του GPS αποκαλύπτει τη θεμελιώδη εμβάθυνση της μετρολογίας και της επιστήμης: η προώθηση της έρευνας απαιτεί και επιτρέπει νέα πρότυπα μέτρησης και αυτά τα νέα πρότυπα μέτρησης με τη σειρά τους επιτρέπουν πιο προηγμένη έρευνα. Όπου αυτός ο κύκλος θα πάρει τελικά το είδος μας είναι άγνωστο, αλλά μετά το θάνατο της ράβδου μέτρησης και την εγκατάλειψη του δεύτερου, όπως ορίζεται από ένα κλάσμα της ημέρας, ένα πράγμα είναι σαφές: το IPK είναι δίπλα στη γκιλοτίνα.
Η ισορροπία κροσσών
Η ισορροπία NIST-4 Kibble, που λειτουργεί από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα ισοζύγια Kibble, το NIST-4 χρησιμοποιεί έναν τροχό ζυγοστάθμισης που λειτουργεί σαν τροχαλία και όχι ως δέσμη. Το υπόλοιπο μέτρησε τη σταθερά του Planck σε μια αβεβαιότητα 13 μερών ανά δισεκατομμύριο. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Οι φυσικοί έχουν γνωρίσει εδώ και δεκαετίες ότι το χιλιόγραμμο θα μπορούσε να οριστεί από την άποψη της σταθερότητας του Planck, αλλά μέχρι πρόσφατα η μετρολογία προχώρησε αρκετά ώστε να μετρήσει τον αριθμό με τέτοια ακρίβεια ώστε ο κόσμος να αποδεχθεί έναν νέο ορισμό. Μέχρι το 2005, μια ομάδα επιστημόνων από το NIST, το NPL και το BIPM, τους οποίους ο Newell αποκαλεί "η συμμορία των πέντε", άρχισε να προωθεί το ζήτημα. Το έγγραφό τους για το θέμα έχει τίτλο « Επαναπροσδιορισμός του κιλού»: μια απόφαση της οποίας η ώρα έχει έρθει .
«Θεωρώ ότι είναι ένα ορόσημο χαρτί», λέει ο Newell. "Ήταν πολύ προκλητική - ενοχλούσε τους ανθρώπους."
Μία από τις βασικές τεχνολογίες για τη μέτρηση της σταθεράς Planck που προσδιορίστηκε στο χαρτί είναι μια ισορροπία watt, που πρώτα αντιλήφθηκε από τον Bryan Kibble στο NPL το 1975. (Μετά το θάνατό του το 2016, το ισορροπία watt μετονομάστηκε σε ισορροπία Kibble στην τιμή του Bryan Kibble)
Η ισορροπία του Kibble είναι, σε θεμελιώδες επίπεδο, η εξέλιξη μιας τεχνολογίας που χρονολογείται από περισσότερα από 4.000 χρόνια: κλίμακες ισορροπίας. Αλλά αντί να ζυγίζει ένα αντικείμενο έναντι άλλου για να συγκρίνει τα δύο, μια ισορροπία Kibble επιτρέπει στους φυσικούς να ζυγίζουν μια μάζα σε σχέση με την ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής δύναμης που απαιτείται για να την κρατήσουν.
«Η ισορροπία δουλεύει περνώντας ένα ρεύμα μέσα από ένα πηνίο σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο και αυτό δημιουργεί μια δύναμη και μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτή τη δύναμη για να εξισορροπήσετε το βάρος μιας μάζας», λέει ο Ian Robinson της NPL, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Bryan Kibble το πρώτο watt ισορροπεί από το 1976 και μετά.
Το υπόλοιπο λειτουργεί σε δύο τρόπους. Ο πρώτος τρόπος ζύγισης ή δύναμης ισορροπεί μια μάζα έναντι μιας ισότιμης ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Η δεύτερη λειτουργία λειτουργίας, ταχύτητας ή βαθμονόμησης χρησιμοποιεί έναν κινητήρα για να μετακινήσει το πηνίο μεταξύ των μαγνητών, ενώ η μάζα δεν βρίσκεται στην ισορροπία, δημιουργώντας μια ηλεκτρική τάση που σας δίνει την ισχύ του μαγνητικού πεδίου που εκφράζεται ως μέτρο ηλεκτρικής δύναμης. Ως αποτέλεσμα, η δύναμη της μάζας σε τρόπο ζύγισης είναι ίση με την ηλεκτρική δύναμη που παράγεται σε λειτουργία ταχύτητας.
Η ηλεκτρική δύναμη μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί ως συνάρτηση της σταθεράς του Planck χάρη στη δουλειά δύο φυσικών που έχουν κερδίσει το Νόμπελ, του Brian Josephson και του Klaus von Klitzing. Το 1962, ο Josephson περιέγραψε ένα κβαντικό ηλεκτρικό φαινόμενο που σχετίζεται με την τάση και ο von Klitzing αποκάλυψε ένα κβαντικό αποτέλεσμα αντίστασης το 1980. Οι δύο ανακαλύψεις καθιστούν δυνατή την εκτίμηση της ηλεκτρικής δύναμης του ισοζυγίου Kibble σε όρους κβαντικών μετρήσεων (χρησιμοποιώντας τη σταθερά του Planck), το οποίο, με τη σειρά του, ισοδυναμεί με τη μάζα ενός κιλού.
Εκτός από την ισορροπία του Kibble, το έγγραφο "συμμορία πέντε" απευθύνεται σε έναν άλλο τρόπο να υπολογίσει τις σταθερές σφαίρες Planck του σχεδόν καθαρού πυριτίου-28 ατόμων, τα πιο τέλεια στρογγυλά αντικείμενα που δημιουργήθηκαν ποτέ από την ανθρωπότητα. Ο όγκος και η μάζα ενός ατόμου στη σφαίρα μπορούν να μετρηθούν, πράγμα που επιτρέπει στους μετρολόγους και τους χημικούς να βελτιώσουν τη σταθερά Avogadro (ο αριθμός των οντοτήτων είναι ένα mole), και από τον αριθμό του Avogadro, μπορούμε να υπολογίσουμε τις γνωστές εξισώσεις του Planck.
"Χρειάζεστε δύο τρόπους να το κάνετε αυτό, ώστε να αποκτήσετε την εμπιστοσύνη ότι δεν υπάρχει ένα κρυφό πρόβλημα με μια μέθοδο", λέει ο Robinson.
Μια λευκή σανίδα στο NIST εξηγεί πώς μια ισορροπία Kibble μπορεί να ισοδυναμεί με ένα μηχανικό μέτρο (το βάρος μιας κιλό μάζας) σε ένα ηλεκτρικό μέτρο (η δύναμη του ηλεκτρικού ρεύματος που απαιτείται για να κρατήσει το χιλιόγραμμο, που εκφράζεται ως συνάρτηση της σταθεράς του Planck). (Τζέι Μπενέτ) Για να επαναπροσδιοριστεί το χιλιόγραμμο, μια αλλαγή που θα επέλθει στις 20 Μαΐου 2019, η Γενική Διάσκεψη για τα βάρη και τα μέτρα απαιτούσε τουλάχιστον τρία πειράματα για τον υπολογισμό της σταθεράς Planck σε μια αβεβαιότητα που δεν υπερβαίνει τα 50 μέρη ανά δισεκατομμύριο, το οποίο πρέπει να υπολογίσει την τιμή σε μια αβεβαιότητα 20 μερών ανά δισεκατομμύριο. Η διεθνής προσπάθεια σιλικόνης έχει γίνει αρκετά ακριβής ώστε να επιτευχθεί μια αβεβαιότητα μόνο 10 μερών ανά δισεκατομμύριο και τέσσερις μετρήσεις ισοζυγίου Kibble παρήγαγαν επίσης τιμές εντός της απαιτούμενης αβεβαιότητας.
Και ως αποτέλεσμα όλων αυτών των μέτρων, πολύ περισσότερο από το χιλιόγραμμο πρόκειται να αλλάξει.
Το νέο διεθνές σύστημα μονάδων
Πέρα από τον επαναπροσδιορισμό του χιλιογράμμου, η 26η συνάντηση της Γενικής Διάσκεψης για τα Μέτρα και τα Μέτρα (CGPM) θέτει μια σταθερή τιμή για τη σταθερά Planck και ως εκ τούτου, θέτει σε εφαρμογή το μεγαλύτερο μετασχηματισμό του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων από την ίδρυσή του το 1960 .Προηγουμένως, η σταθερά του Planck μετρήθηκε διαρκώς, κατά μέσο όρο με άλλες μετρήσεις σε όλο τον κόσμο, και ένας κατάλογος νέων αξιών παραδόθηκε στα ερευνητικά ιδρύματα κάθε λίγα χρόνια.
"Κανείς δεν θα μετρήσει τη σταθερότητα του Planck μόλις περάσει αυτή η ψηφοφορία, επειδή η αξία του θα έχει καθοριστεί", λέει ο Davis.
Εκτός από τη σταθερά Planck, η σταθερά Avogadro θα καθοριστεί σε μια σταθερή τιμή, όπως και το στοιχειώδες φορτίο ( e, το φορτίο ενός πρωτονίου) και το τριπλό σημείο του νερού (η θερμοκρασία στην οποία το νερό μπορεί να υπάρχει ως στερεό, υγρό ή αέριο, που ορίζεται ως 273, 16 βαθμούς Kelvin, ή 0, 01 βαθμούς C).
Ορίζοντας τη σταθερά Planck ως απόλυτη τιμή, οι επιστήμονες απομακρύνονται από τις συμβατικές μηχανικές μετρήσεις και υιοθετούν μια σουίτα κβαντικών ηλεκτρικών μετρήσεων για να καθορίσουν τις θεμελιώδεις μονάδες μας. Μόλις καθοριστεί η σταθερά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υπολογίσει ένα φάσμα μαζών από το ατομικό επίπεδο έως το κοσμικό, αφήνοντας πίσω την ανάγκη να κλιμακωθεί το IPK σε μικρότερα μετρήσιμα μέρη ή μέχρι τις τεράστιες μάζες.
"Αν έχετε ένα τεχνούργημα, αγκυροβολείτε μόνο την κλίμακα σας σε ένα σημείο", λέει ο Schlamminger. "Και μια θεμελιώδης σταθερά δεν ενδιαφέρεται για την κλίμακα".
Ian Robinson με την ισορροπία Mark II Kibble. Το Mark II, που χτίστηκε από το Εθνικό Φυσικό Εργαστήριο (NPL) στο Ηνωμένο Βασίλειο, αποκτήθηκε αργότερα από το Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας (NRC) του Καναδά, όπου χρησιμοποιήθηκε για να μετρήσει μια τιμή της σταθεράς του Planck μέσα σε μια αβεβαιότητα 9 μερών ανά δισεκατομμύριο. (Χορηγία εικόνας από NPL) Η νέα τιμή για τη σταθερά του Planck αλλάζει επίσης τους ορισμούς των ηλεκτρικών μονάδων μας, όπως ο ορισμός του αμπέρ του 1948. Οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει από καιρό τα φαινόμενα Josephson και von Klitzing για τον υπολογισμό των ηλεκτρικών τιμών με ακρίβεια, αλλά αυτές οι μετρήσεις δεν μπορούν να είναι μέρος του SI μέχρις ότου μία από τις μεταβλητές τους - η σταθερά Planck - είναι μια σταθερή τιμή.
"Είναι πάντα τζάμπα για μένα ότι αν ήθελα να πάρει SI volt μου ή SI μου ohm, έπρεπε να περάσω το κιλό. Έπρεπε να περάσω από μια μηχανική μονάδα για να φέρω τις ηλεκτρικές μονάδες μου "λέει ο Newell. "Αυτό φαινόταν πολύ τον 19ο αιώνα, και ήταν."
Τώρα, οι ηλεκτρικές μονάδες θα χρησιμοποιηθούν για να πάρουν το κιλό.
"Οι άνθρωποι μιλάνε για αυτό, είναι ο επαναπροσδιορισμός του κιλού, αλλά νομίζω ότι αυτό λείπει πραγματικά ένα σημαντικό σημείο", λέει ο Schlamminger. "Θα πάμε αυτές τις ηλεκτρικές μονάδες πίσω στη SI."
Για όλους τους ανθρώπους, για πάντα
Υπάρχουν περισσότερες από μισές νιφάδες ζυγοστάθμισης σε όλο τον κόσμο και πολλές χώρες από τη Νότια Αμερική στην Ασία δημιουργούν τη δική τους - επειδή οι επιστήμονες έχουν ένα, έχουν το εργαλείο για να έχουν πρόσβαση στο χιλιόγραμμο και σε πολλές άλλες θεμελιώδεις μονάδες και μέτρα που ορίζονται από φύση. Το χιλιόγραμμο δεν θα είναι πλέον περιορισμένο σε ένα θησαυροφυλάκιο, όπου λίγοι έχουν το προνόμιο να έχουν ποτέ πρόσβαση σε αυτό, και όλοι φοβούνται να τον αγγίξουν ότι δεν χρησιμοποιείται παρά μόνο μία φορά ανά μισό αιώνα.
"Σημαίνει τώρα, αυτό που μπορούμε να κάνουμε είναι να εξαπλωθεί ο τρόπος καθορισμού της μάζας σε όλο τον κόσμο", λέει ο Robinson.
Για τους επιστήμονες των οποίων η εργασία επηρεάζει αυτή την αλλαγή, το νέο Διεθνές Σύστημα Μονάδων δεν είναι καθόλου ιστορικό γεγονός.
«Ακόμα ανησυχώ για το γεγονός ότι όλα αυτά είναι ένα όνειρο και αύριο ξυπνάω και δεν είναι αλήθεια» λέει ο Schlamminger. "Νομίζω ότι αυτό τελειώνει το τόξο που οι άνθρωποι άρχισαν να σκέφτονται πριν από τη Γαλλική Επανάσταση και η ιδέα ήταν να έχουμε μετρήσεις για όλες τις εποχές για όλους τους ανθρώπους".
Ο Stephan Schlamminger εξηγεί την ισορροπία του Kibble με ένα λειτουργικό μοντέλο Lego στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Gaithersburg, Maryland. (Τζέι Μπενέτ) "Αυτό ήταν ένα από τα κυριότερα σημεία της ζωής μου", λέει ο Klaus von Klitzing του Ινστιτούτου Max Planck, του οποίου η σταθερά θα σταθεροποιηθεί ως σταθερή αξία ως αποτέλεσμα του νέου SI. "Αυτό είναι υπέροχο. Έχουμε την ενοποίηση αυτών των κβαντικών μονάδων ... με τις νέες μονάδες SI και επομένως αυτή είναι μια θαυμάσια κατάσταση ».
Τέτοιες αλλαγές στις θεμελιώδεις αξίες μας για να περιγράψουμε το σύμπαν δεν έρχονται συχνά, και είναι δύσκολο να φανταστούμε πότε θα συμβεί ξανά. Ο μετρητής επαναπροσδιορίστηκε το 1960 και στη συνέχεια και πάλι το 1984.
Το δεύτερο επαναπροσδιορίστηκε το 1967. "Αυτή ήταν μια αρκετά επαναστατική αλλαγή", λέει ο Davis. "Οι άνθρωποι για την αιωνιότητα είχαν πει χρόνο από την περιστροφή της Γης και ξαφνικά άλλαξαμε σε μια δόνηση σε ένα άτομο του καισίου".
Το αν ο επαναπροσδιορισμός του δευτέρου ήταν μια πιο θεμελιώδης αλλαγή στην κατανόηση του ανθρώπου από ό, τι ο επαναπροσδιορισμός του χιλιογράμμου δεν σημαίνει, αλλά, όπως και το δεύτερο, το επαναπροσδιορισμένο χιλιόγραμμο είναι αναμφίβολα μια αξιοσημείωτη στιγμή στην πρόοδο του είδους μας.
"Να απαλλαγούμε από το τελευταίο τεχνούργημα ... αυτό είναι το ιστορικό πράγμα", λέει ο Davis. "Τα πρότυπα μέτρησης βασίζονται σε αυτά τα αντικείμενα, πραγματικά, αφού ο καθένας ξέρει. Οι ανασκαφές των νεολιθικών χρόνων δείχνουν πρότυπα-πρότυπα μήκη, τυποποιημένες μάζες-που είναι μικρά κομμάτια κεράτι ή βράχο ή κάτι τέτοιο. Και γι 'αυτό οι άνθρωποι το έχουν κάνει για χιλιετίες, και αυτό είναι το τελευταίο. "
Η SI θα αλλάξει και πάλι, αν και πρωτίστως για να μειώσει τις ήδη απειροελάχιστες αβεβαιότητες ή να αλλάξει σε διαφορετικό μήκος κύματος φωτός ή χημικού μέτρου που είναι πάντα τόσο ελαφρώς ακριβέστερο. Στο μέλλον, μπορούμε ακόμη να προσθέσουμε μονάδες στο SI για αξίες που δεν έχουμε ακόμη σκεφτεί να ορίσουμε. Αλλά δεν μπορούμε ποτέ να κάνουμε αυτό που κάνουμε τώρα, να αφήσουμε πίσω την κατανόηση των προγόνων μας και να αγκαλιάσουμε ένα νέο σύστημα μέτρησης.
