Светът просто предефинира килограмата

Паспрабуйце Наш Інструмент Для Ліквідацыі Праблем

Тя включва сложна наука и красиво проста философия.

Балансът Kibble е машината, която прави възможно предефинирането на килограма.

Четиридесет фута под земята в Гейтерсбърг, Мериленд, в ярко бяла лаборатория, която изисква три отделни ключа за влизане, Съединените щати съхраняват скъпоценна колекция от малки, лъскави метални цилиндри, които буквално определят масата на всичко в тази страна.

Те са красиви, с огледални покрития и трябва да устоя на желанието да ги докосна. Ако ги докосна, бих могъл да ги замърся с масло от кожата си и потенциално да увелича теглото им. Патрик Абът, пазачът на килограма тук в Националния институт по стандарти и технологии (NIST), ми казва, че това би било много лошо.

В момента килограмът има много проста дефиниция: това е масата на парче платинено-иридиева сплав, която се съхранява в Международното бюро за мерки и теглилки в Севър, Франция от 1889г . Нарича се международен прототип килограм (известен още като Big K или Le Grand K) , и има много копия по целия свят - включително седем в NIST в Gaithersburg - които се използват за калибриране на везните и гарантиране, че целият свят е на една система за измерване.

Ето едно от копията в NIST, наречено K4, изковано от същото парче метал, от което е създаден Big K през 19 век.

В NIST Патрик Абът е пазачът на килограма.

Това е K4, копие на International Prototype Kilogram, изковано от същата платинено-иридиева сплав.

Разгледайте го добре. Защото много скоро този 129-годишен стандарт за килограм ще се промени.

В петък учени от цял ​​свят се срещнаха на Генералната конференция по мерки и теглилки във Версай, Франция, и гласува за промяна на определението за килограм , обвързвайки го с универсална константа в природата. Промяната ще влезе в сила на 20 май 2019 г.

Една важна причина за промяната е, че Big K не е постоянен. То е загубил наоколо 50 микрограма (около масата на една мигла), откакто е създадена. Но, разочароващо, когато Big K загуби маса, тя все още е точно един килограм, според текущата дефиниция.

Когато Big K се промени, всичко останало трябва да се коригира. Или още по-лошо: Ако Big K бъде откраднат, нашата световна система за измерване на масата ще бъде хвърлена в хаос.

С гласуването в петък най-добрите учени по измерване в света избраха да прикрепят килограма към константата на Планк, фундаментална концепция в квантовата механика, която никога, никога не може да се промени - тук на Земята или в дълбоките краища на Вселената.

Това е повече от научна победа. Това също е философски, както научих от учените от NIST, които от години работят върху предефинирането и наричат ​​този момент най-вълнуващият момент от цялата си кариера.

С новата дефиниция Генералната конференция за тегла и мерки завършва първоначалната мечта за метричната система, която беше възприета по време на Френската революция. Метричната система, която се е развила в Международната система на единиците, или SI, е проектирана да бъде за всички времена, за всички хора.

Обектите винаги се променят, казва Стефан Шламингер, учен от NIST, участващ в предефинирането. С новата дефиниция, казва той, ние преминаваме от обект на Земята към нещата, които са в небето.

И това е нещо, което си заслужава да се празнува. В свят, в който изглежда, че всичко винаги се движи, тези учени сега се увериха, че килограмът никога няма да се промени.

Кратка история на килограма

Откъде знаеш какво тежи нещо? Знам, има очевиден отговор: слагате го на кантар.

Но когато отидете в магазин за хранителни стоки и претеглите пакет ябълки, как тази везна знае какво е усещането на килограм плод?

За да имат смисъл измерванията на масата, се нуждаем от фиксирана точка за сравнение. Тези ябълки трябва да тежат повече или по-малко от нещо. За да избегнем хаоса и да позволим на нашата икономика да функционира, това нещо трябва да бъде универсално признато.

Везната във вашия магазин за хранителни стоки е била калибрирана с тежест, която е била калибрирана с тежест, която е била калибрирана с тежест и т.н. И всички тези калибровки се връщат точно тук, в недрата на NIST. Постоянните тегла и мерки са важни за повече от хранителни стоки: Представете си, ако Boeing не може да разбере какво точно тежи един самолет или ако фармацевтичната индустрия не може да определи точната маса на малка, потенциално смъртоносна доза лекарство.

Тази везна за претегляне в Трухильо, Перу, измерва единици в унции, паундове, грамове и килограми.

Леон Нийл/Гети Имиджис

В Съединените щати все още използваме имперски единици: паундове и унции. Но всъщност всички наши измервания са получени от Международната система за единици или SI, която използва метри и килограми като основни единици за дължина и маса.

Що се отнася до масата в САЩ, всичко се връща към тези цилиндри с форма на шайба, които са прецизно обработени, за да тежат 1 килограм. Официално в САЩ 1 паунд се определя като 0,45359237 килограма. Един фут се определя като 0,3048 метра.

Но системата не винаги е била толкова подредена. Преди Френската революция и изобретяването на метричната система, системите от тегла и мерки по целия свят бяха хаотична, непокорна бъркотия.

Представете си свят, в който всеки път, когато пътувате, трябва да използвате различни преобразувания за измервания, както ние правим за валута, Мадви Рамани от BBC обяснява . Такъв е случаят преди Френската революция в края на 18-ти век, когато теглата и мерките варират не само от нация до нация, но и в рамките на нацията.

Френската революция беше за сваляне на стари, архаични, хаотични йерархии, останали от феодалната епоха, и преправяне на обществото с егалитарни принципи в ума.

Вдъхновени от революцията, учените по това време искаха да започнат на чисто нова, последователна система за измерване, базираща единиците не на произволни мандати от крале, а на природата. Целта беше да се създаде система за измерване за всички времена, за всички хора.

По този начин, когато Международното бюро за теглилки и мерки е основано във Франция в края на 1800 г., метърът - стандартната единица за дължина - е създаден да бъде една десетмилионна от разстоянието от Северния полюс до екватора. Грамът се вдъхновява от плътността на водата: тя е приблизително равна на масата на 1 кубичен сантиметър вода, държана при 4°C.

За да разпространят тези нови единици - за да се уверят, че всички по света ги разбират - изобретателите на метричната система решават да създадат физически обекти, които да ги въплъщават и дефинират. Те изработиха метална пръчка с дължина точно 1 метър. Те създадоха Big K, за да представят масата от 1 килограм или 1000 грама.

От 19-ти век всички физически реликви на старата метрична система са заменени с измервания, прикрепени към постоянните природни сили. Първоначално метърът е определен като пропорция на размера на Земята. Но дори и формата на света не е постоянна. По дяволите, Земята може дори да не е постоянна . Така че днес метърът се определя от скоростта на светлината. Вторият е прикрепен към движението на атомите на елемента цезий.

Засега само килограмът все още се определя от физически обект.

И така, какво е това ново определение на килограма? Пригответе се, защото е малко тъжно.

Обяснено е науката за предефиниране на килограма по отношение на константата на Планк

Гласуването в петък на Генералната конференция по мерки и теглилки беше прието единодушно. Но промените няма да влязат в сила до Май 2019 г. Когато настъпи промяната, ето как килограмът ще бъде дефиниран в Международната система от единици:

Килограмът, символът kg, е единицата за маса в SI. Дефинира се като се приеме фиксираната числова стойност на константата на Планк h да бъде 6,626 070 15 × 10-3. 4когато е изразено в единица J s, която е равна на kg m2с-1, където метърът и вторият са определени чрез c и ∆νCs.

Какво за Бога?

Много по-трудно е да се обясни от буца метал във Франция. Но нека опитаме.

По принцип Генералната конференция по мерки и теглилки ще фиксира стойността на константата на Планк, която описва как най-малките частици материя освобождават енергия на дискретни стъпки или парчета (наречени кванти).

С гласуването в петък константата на Планк сега и завинаги ще бъде зададена като 6,62607015 × 10-3. 4м2кг/с. И от тази фиксирана стойност на константата на Планк учените могат да извлекат масата на килограм.

Това усилие за предефиниране е отнело десетилетия, тъй като константата на Планк е малка (започва с десетична запетая и е последвана от 33 нули) и трябва да бъде изчислена до супер малка граница на грешка. Работата изискваше внимателни измервания с невероятно сложна машина, наречена баланс на Kibble (повече за това по-долу), както и наблюдения на изключително кръгла сфера от силиций .

Това обяснение може да изглежда странно. И това е. Но за да го оценим по-добре, е полезно да разгледаме как метърът - стандартната световна единица за дължина - беше предефиниран по отношение на скоростта на светлината като пример за това защо това е необходимо.

Първоначално метърът е определен като дължина на прът в Международното бюро за мерки и теглилки във Франция. (Това беше тогава предефиниран да бъде равна на определена дължина на вълната на излъчване.) Отново проблемът с тази дефиниция беше нейната неточност. Не се основаваше на неизменни свойства на Вселената.

Скоростта на светлината, от друга страна, е непроменените 299 792 458 метра в секунда. Независимо къде се намирате, смятат учените, това остава същото. (Поне, ако се промени, това ще промени почти всичко, което знаем за физиката.)

До 1983г , физиците бяха станали наистина добри в измерването на скоростта на светлината. Затова го използваха, за да фиксират дължината на метъра завинаги, за да го направят постоянен. Ето как: Те предефинираха метъра, за да бъде равен на разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299 792 458 от секундата. По същество дефиницията на метъра вече е изпечена в определението за скоростта на светлината.

В това има поезия: учените взеха метъра - произволно измерване на дължината, измислено от хората - и го прикрепиха към универсална константа. Нашите разхвърляни човешки измервания са надхвърлили тяхната разхвърляна човечност; те са слети с вечна истина.

Новият, дефиниран от светлината метър е със същата дължина като стария стандартен метър в Париж. Но за разлика от стария стандарт в Париж, сега дефиницията на метъра никога, никога не може да се промени.

Същото се случва и с константата на Планк. Подобно на скоростта на светлината, константата на Планк е универсална истина, която никога няма да се промени.

Чрез задаване на крайна стойност на константата на Планк - чиито единици включват килограма, подобно на единиците за скорост на светлината включват метър - размерът на килограм е завинаги стабилен. Можете също да мислите за това по следния начин: килограмът е закотвен към константата на Планк, където ще почива завинаги.

(Може би, ако сте чели внимателно, сте забелязали, че тук има малко проблем с пиле и яйце. Как се стремите да дефинирате метър по отношение на скоростта на светлината, ако вашите измервания на скоростта на светлината съдържат и мерния метър? Това е същото за константата на Планк: тя съдържа килограми в своите единици. Кратък отговор: Ето защо хората, работещи по тези проблеми, имат докторски степени.)

Балансът Kibble е машината, която прави всичко това възможно

Предефинирането на килограма по отношение на Планк беше огромно предизвикателство, за което са необходими десетилетия.

От една страна, учените трябваше да могат да измерят константата на Планк в изключително прецизна степен. Ако нашата оценка за скоростта на светлината имаше голяма грешка, не би било надеждна котва за измерване на метър. Същото важи и за Планк.

В продължение на десетилетия учените от NIST, както и няколко други лаборатории по света, са използвали машина, наречена баланс на Kibble (понякога наричан ватов баланс), за прецизно измерване на константата на Планк до достатъчно внимателна степен, че може да се използва за предефиниране на килограма.

Подобно на стандартите за килограми, везната Kibble се намира дълбоко под земята в NIST. Построен е върху бетонен под, който може буквално да се носи над основата на сградата, за да изолира по-добре чувствителното й оборудване от всякакви вибрации от останалата част от съоръжението. Трябва да нося пластмасова мрежа върху косата и обувките си, за да отида да го видя, защото всякакви отломки могат да го изхвърлят от калибрирането.

Ако викторианците бяха построили машина на времето и я паркираха в пивоварна, бих си представил, че ще изглежда нещо подобно.

Балансът Kibble е невероятно сложна, красива машина, която приравнява механичната сила към електрическата сила.

Балансът на Kibble работи донякъде като обикновен масов баланс. Представете си този Лейди Справедливост държи в ръката си: Има два тигана, които балансират в централна точка. Прост баланс сравнява две тежести на всеки от тиганите, с цел да ги приравни.

Балансът Kibble - кръстен на покойния си изобретател, британския физик Брайън Кибъл - прави нещо подобно, но с квантовомеханичен обрат. Той приравнява механичната енергия, упражнявана от масата на обект, с еквивалентно количество електрическа енергия.

Формулата, която балансът на Kibble дава при приравняване на масата и електрическата мощност, е сложна. (Учените от NIST ме доведоха до бялата дъска, показана по-долу, за да обясня.)

Ето как работи балансът на Kibble.

Важното е, че в това уравнение - сред всички променливи в играта, които включват маса, скорост, гравитационно привличане, магнетизъм и електричество - лежи константата на Планк. И използвайки тази машина, учените успяха да решат за Планк. Математиката се получава, защото, както ни научи Алберт Айнщайн с най-известното си уравнение E=mc2, масата и енергията са по същество различни изрази на едно и също нещо.

Сега може би си мислите: Какво прави балансът на Кибъл сега, когато е дефиниран като константа на Планк?

Е, той замества нуждата от Big K във Франция, защото сега знае масата на килограм по отношение на константата на Планк. И това ще бъде точно измерване, начин да се гарантира, че килограм все още е килограм, който може да се използва за претегляне на обекти и определяне на тяхната маса според новия стандарт.

В момента нашата гаранция за качество на стабилността на [Big K] се основава на споразумение, казва Abbott. Казваме, че няма да се промени. Нашата гаранция за качество на баланса Kibble е, че той се основава на константа на природата, която е измерена, строго, от целия свят. и знаем, че не се променя. Всичко това е разликата в света.

В ход е демократизацията на мерките и теглилките

Още ли си с мен?

Ако сте пренебрегнали всичко, ето до какво се свежда цялата тази промяна: вече няма да се нуждаем от правителство — САЩ, Франция, който и да е — или международно управляващо тяло, което да ни каже какво е килограм. Това ще бъде фундаментална истина за Вселената, достъпна за всеки, който има подходящо оборудване, за да я осъзнае.

На теория всеки може да изгради баланс на Kibble. (Казаха ми, че има миниатюрни такива по пътя.) Те могат да изградят този експеримент и могат да измерват всяка маса, която пожелаят, всеки материал, просто го сложете на везната и получавате стойността на масата, абсолютна, в термини на константата на Планк, казва Дарин Ел Хадад, която ръководи експеримента за баланс на Кибъл в NIST. Балансът на Kibble позволява абсолютно измерване, казва тя.

В бъдеще производствената индустрия няма да има нужда да изпраща своите тегла и везни на NIST за калибриране. Те биха могли да имат баланс на Kibble на завода си. В тази светлина новата дефиниция е по-демократична - такава, която е безплатна за използване по целия свят и не се държи заключена в случай във Франция.

Има обаче някои големи недостатъци на промяната. Хората дори не разбират метричната система, казва Абът. Как ще обясните баланса на Kibble? Сложността на определението може да отблъсне хората, които искат да научат повече за науката. Детето от началното училище може да разбере, че парче метал тежи килограм, но квантовата механика?

Шламингер твърди, че макар новата дефиниция да е по-сложна технически, философски, тя е по-проста. Килограмът скоро ще бъде определен от фундаменталната физика на Вселената, а не от някаква човешка машинация.

Шламингер има основополагащите думи на метричната система, за всички времена, за всички хора, татуирани на ръката си, заедно с цифрите на константата на Планк. Ето колко силно вярва в идеала. Той вижда тази работа като завършване на дъгата, започнала с Френската революция. И е пълно: с гласуването в петък килограмът вече е завинаги, за всички времена и за всички хора.

Постоянната татуировка на Планк на Стефан Шламингер е последвана от основополагащото мото на метричната система: За всички времена, за всички хора.