Na okraji Paříže, osm metrů pod zemí ve klimatizovaná trezor, sedí 143-rok-starý platinové slitiny válec. Stál jen 39 mm vysoký, nikdy se ho nedotkly lidské ruce. Jako jemná ruská panenka, válec je v kleci uvnitř tři vnořené skleněné zvonky v místnosti, které mohou být přístupné pouze tři klíče od tří různých lidí. Kolem tajemného objektu jsou „svědci“: šest „identických“ válců odlitých ze stejné slitiny platiny.

ačkoli snahy o zachování soupeří s těmi z Turínského plátna, válec není posvátným náboženským objektem. Je to mezinárodní prototypový Kilogram (IPK), jediný skutečný kilogram, proti kterému jsou měřeny všechny ostatní. Sídlí v Pavillon de Breteuil-domov pro mezinárodní úřad pro Váhy a míry (BIPM) – IPK brzy ztratí svůj jedinečný status a stane se pozůstatkem minulého věku. To pak bude jako kuriózní jako Mezinárodní Prototyp Metru (IPM) – platinové slitiny bar také sídlí v BIPM–, který sloužil jako oficiální světové metr až do roku 1960.

Dne 16. listopadu 2018 metrologists a tvůrci politik z 60 zemí celého světa se sejdou na Generální Konferenci pro Váhy a míry (CGPM) v Versailles, Francie. Nic neobvyklého, protože setkání se schází jednou za čtyři roky, aby se diskutovalo o rozpočtech a otázkách v metrologii. Ale toto setkání bude zvláštní. Členské státy budou hlasovat o tom, zda přijmout nejvíce zametání změnit Mezinárodní Soustava Jednotek (Système International, nebo SI) od svého vzniku v roce 1960. Je to změna, která bude zahrnovat nové definice Kelvinů, ampér a krtek, ale možná nejvýrazněji kilogram.

každý členský stát odevzdá svůj jeden hlas v procesu, který bude živě přenášen online. Pokud změna projde (a všechny náznaky jsou, že to bude) událost bude znamenat konec založit jednotek na předměty – praxe, sahající tisíce let. Konečně také splní přání, které poprvé vyslovil James Clerk Maxwell, který předpověděl, že standardy měření by mohly být nějakým způsobem definovány neměnnými konstantami přírody.

solidní základ

ve svém projevu na setkání Britské Asociace pro Pokrok Vědy v Liverpoolu v roce 1870, Maxwell řekl delegátům, že „…Pokud chceme získat standardy délky, času a hmoty, které musí být naprosto trvalé, musíme hledat ne v rozměrech, nebo návrh, nebo hmotnost naší planety, ale ve vlnové délce, doba vibrací, a absolutní hmotnost těchto nepomíjející a neměnné a dokonale podobné molekuly.“

S zasvěcenci vidět žádný náznak negativního výsledku na setkání BIPM tento měsíc, to je bezpečné předpokládat, že usnesení k reformě SI projde bez odporu a Maxwell je touha po „naprosto trvalé“ normy budou realizovány. Nové SI pak bude oficiálně vstoupí v platnost dne 20. Května 2019, přesně tucet tucet (144) let po první mezinárodní smlouvy o jednotky měření – metrické Konvence – která byla podepsána ve stejný den v roce 1875. Ale proč je tak důležité, aby jednotky byly založeny na konstantách přírody?

jednotky byly základem společnosti přinejmenším od dob starých Egypťanů. Používali různé části lidského těla nebo předměty ve svém prostředí jako stupnice, podle kterých měří věci. Přesto by se tyto standardy mohly divoce lišit od místa k místu. Pro přírodní filozofové v 17. a 18. století v Evropě, jednotka variabilita, zejména v délce a hmotnosti – dělal to téměř nemožné porovnávat výsledky pro stejný fyzikální jev, pokud byla měřena v různých místech.

byly učiněny různé pokusy o vytvoření univerzálního opatření a v roce 1799 Francie zavedla metrický systém založený na dvou jednotkách-metru a kilogramu. Známý jako metr archivů a Kilogram archivů, tyto dva platinové artefakty byly uloženy v Archives Nationales v Paříži, aby legálně a prakticky definovaly jednotky. Tyto standardy stály 90 let, dokud nebyly nahrazeny IPM a IPK, které byly fyzicky těžší a lépe navržené.

Univerzální myšlení

jednotky SI se staly propletené ve vědě. Z energie-definování joule na katal pro měření katalytické aktivity, všech 29 jménem SI jednotkám mohou být definovány některé kombinace pouhých sedm základních jednotek: druhý, metr, kilogram, ampér, kelvin, mol a kandela. Ale jak se věda ve 20. století stala stále přesnější, objevil se nový problém. Jakákoli jednotka založená na něčem-objektu – experimentu nebo jevu -, která není univerzální, bude nestabilní.

zvažte druhou. Je historicky spojena s revolucí země, která je definována jako 24 hodin, kde hodina je 60 minut a minuta je 60 sekund. Ale co se stane, když se země začne otáčet pomaleji, jak to dělá, i když jen mírně? Den bude delší, což znamená, že druhý bude delší i v reálných termínech. To znamená, že auto registraci 30 km/h ve skutečnosti bude cestování o něco pomaleji, 30 W žárovka bude trochu slabší a ještě více absurdně, vesmír se bude rozšiřovat v různém poměru.

Pokud se, nicméně, pojem a trvání druhé jsou zachovány, ale rotace Země je odstraněn z definice a nahradit něčím, co se nikdy nemění, kdekoliv a kdykoliv je měřena ve vesmíru, druhý se stává stabilní. To bylo provedeno v roce 1967, kdy druhý byl předefinován jako 9,192,631,770 krát období záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma velmi jemné úrovně země stav cesia 133 atom, Δν (viz „stručná historie času-udržení“ Helen Margolis).

Později, v roce 1983, metr byl také nově vymezen, jako délka cesty cestoval, kterou světlo ve vakuu během časového intervalu 1/299,792,458 sekundy. Vynikající přesnost, s jakou vědci od té doby byl schopen měřit čas a vzdálenost má prospěch společnosti, v neposlední řadě tím, že vede k družicových navigačních systémů, zejména GPS.

Planck na záchranu

přestože sloužil společnosti dobře po dobu 143 let, definování kilogramu z hlediska jediného objektu je ve své podstatě nestabilní pojem. Je to proto, že pokud se IPK stane lehčí nebo těžší, i o malé množství, změní se také hmotnost vesmíru vyjádřená v kilogramech-šílený návrh – Poněkud znepokojivě se IPK mění. Když ji metrologové měřili v letech 1988-1991, měla IPK v průměru o 50 µg méně než šest svědků. Podle definice to znamená, že svědci nějakým způsobem získali malé množství hmoty, možná absorbováním molekul vzduchu. Ale pravděpodobnější-vzhledem k tomu, že se zdálo, že mnoho národních kopií kilogramu získává hmotnost-je to, že IPK ztratila hmotnost. Nebo snad všichni získali nebo ztratili hmotu, jen v různých rychlostech.

Metrologové nezaznamenali další posun mezi IPK a svědky od roku 1991 do roku 2014, kdy byla měření provedena naposledy. Skutečnost, že nedošlo k posunu, však neznamená, že se hmotnost IPK nebo svědci nezměnili. Možná prostě ztratili nebo získali hmotnost v tandemu. A to je ten problém: neexistuje způsob, jak to říct, protože hmotnost je vždy kalibrována proti IPK.

„s revidovaným SI se nebudeme muset starat o tyto věci,“ vysvětluje Richard Davis, bývalý šéf hromadné divize BIPM, který je nyní konzultantem předsednictva. Místo toho, aby byl definován hmotností kovového válce, bude v novém si kilogram založen na základní konstantě kvantové fyziky: Planckova konstanta.

Pojmenované po Max Planck, který rozvinul myšlenku, že energie přichází v malých paketů nazývá quanta, Planckova konstanta, h, se vztahuje na energii jednoho kvantového elektromagnetického záření na jeho frekvenci slavný vzorec E = hv. Planckova konstanta je zase spojena s hmotou prostřednictvím Einsteinova E = mc2. V současné době, h je měřená hodnota přibližně 6.62607 × 10-34 m2 kg s–1, ale metrologists teď chtějí opravit jeho hodnota v kámen, s kilogram definován z hlediska této hodnoty.

bude tedy sbohem IPK, což je fyzicky nestabilní objekt, a sbohem nejistotě v hodnotě Planckovy konstanty. „Po předefinování, neochvějnou Planckova konstanta je stanovena na hodnotu, zatímco nejistota je více vhodně odsunut do hmotnosti IPK,“ říká Stephan Schlamminger, metrologa z Národního Institutu pro Standardy a Technologie, NÁM. „A s pevnou prkennou konstantou budou lepší zařízení schopna realizovat kilogram stále přesněji.“

Watt máte na mysli

Chcete-li začít na pravé noze, je důležité, aby hodnota, při které je Planckova konstanta pevná, byla měřena co nejpřesněji. Tato odpovědnost spočívá na měření ze dvou velmi odlišných typů experimentů. První z nich se nazývá Granule rovnováhu, dříve nazýván watt rovnováhu, ale nyní přejmenován na počest jeho vynálezce Bryan Granule z britské Národní Fyzikální Laboratoře, který zemřel v roce 2016. V současné době, pouze Francie, Kanada a USA mají Granule zůstatky schopný měření, potřebných pro stanovení Planckovy konstanty. Mnoho dalších však pracuje na budování vlastních zůstatků. Stejně jako hi-tech sada vah využívá Kibble balance elektromagnetické síly poskytované cívkou drátu ponořenou do magnetického pole k vyvážení hmotnosti kilogramu. Zařízení umožňuje metrologům získat přesné hodnoty proudu a napětí, ze kterých lze odvodit planckovu konstantu (viz rámeček níže).

Granule rovnováhu

Co to je? Kibble (nebo watt) rovnováha se skládá z kruhové, vodorovné cívky drátu délky, L, zavěšené z jednoho ramene váhy. Cívka je umístěna v silném magnetickém poli, B, a elektrický proud, I, je předán přes to generování sílu F = BIL, že může být upravena tak, aby se rovnala hmotnosti hmotnost umístěny na stejné paži rovnováhy (mg). Hmotnost je pak dána m = BIL/g.

V čem je problém? I když lze měřit přesně, je těžké udělat totéž pro B a L.

Takže jaké je řešení? Metrologové odstraňují hmotu a pohybují cívkou rychlostí u v magnetickém poli, aby generovali napětí V = BLu. Zařízení se nazývá wattová rovnováha, protože přeskupením dvou rovnic je elektrická energie (VI) vyvážena mechanickým výkonem (mgu). Jinými slovy, m = VI/gu. Protože u se snadno měří a g (zrychlení způsobené gravitací) je dobře známo, problémy s měřením B A L zmizely.

ale jaká je souvislost s Planckovou konstantou, h? To je ten chytrý kousek. Proud je určen průchodem rezistorem a použitím Josephsonova efektu k měření výsledného poklesu napětí. Tento efekt popisuje skutečnost, že v případě dvou supravodičů oddělených tenkou izolační, páry elektronů v každé vrstvě pár tak, že mikrovlnné záření kmitočtu f, vytváří napětí v celé vrstvě V = hf/2e, kde e je náboj na elektron. Odpor rezistoru může být měřena, protože tok elektronů ve 2D systémy v ultranízkých teplotách je quantized, se vodivost zvyšuje v násobků e2/h.

Tak proč je to dobré pro metrologii? Až dosud byla rovnováha granulí měřena h v jednotkách SI. Ale když se změní definice kilogramu, číselná hodnota h bude fixována v kameni, což umožní komukoli použít rovnováhu k měření hmotnosti s vynikající přesností.

druhý způsob měření h se nazývá rentgenová krystalová hustota (XRCD) nebo experiment Avogadro. Jedná se o jednotný krystal křemíku – 28 atomů, který byl obroben do téměř dokonale kulaté 1 kg koule. Pomocí optické interferometrie metrologové nejprve vypočítají celkový průměr – a tím i objem-koule. Poté kombinací optické interferometrie s rentgenovou analýzou mohou vypočítat vzdálenost mezi atomy, objem, který každý zabírá, a tím i celkový počet atomů v kouli. Konečně, vážením koule, mohou určit konstantu Avogadro. Tento přístup definuje, kolik atomů nebo molekul je v jednom molu látky-množství zcela odlišné od hmotnosti – které nyní definuje samotný mol. Rovnice z atomové fyziky, která spojuje konstanty Avogadro a Planck, pak umožňuje zachytit přesnou hodnotu těchto konstant.

Laboratoří po celém světě používají tyto dvě různé techniky k měření Planckovy konstanty s mimořádnou přesností, aby konečná, dohodnutá hodnota 6.626,070,150 × 10-34 kg m2 s–1, s relativní nejistotou pouhých 10 ppb (2018 Metrologia 55 L13). Jako pro Avogadro konstantní, bude stanovena na 6.022,140,76 × 1023 mol–1. A jakmile jsou konstanty Planck a Avogadro fixní, složité experimenty, ze kterých byly odvozeny, mohou být použity jako standardy pro měření kilogramu a krtka.

praktický dopad

nejjednodušší způsob, jak vysvětlit, jak to bude fungovat, je zvážit rovnováhu granulí. Až dosud se používá k měření přesných hodnot proudu a napětí, které jsou poté zapojeny do rovnic, aby se získala Planckova konstanta. V budoucnu bude Planckova konstanta pevnou hodnotou a stejná měření místo toho přinesou hmotnost na zůstatku. Jinými slovy, každý, kdo má přístup k rovnováze granulí, může realizovat dokonalý kilogram. Stejný princip bude platit i pro ampér a kelvin, které budou v budoucnu dány z hlediska náboje na elektronu, e a Boltzmannovy konstanty, k. Zařízení určená k přesnému měření těchto základních konstant budou nyní otočena na hlavách, aby přesně realizovala jednotky ampér a Kelvinů (viz rámeček níže). Jako za metr, sekunda a candela, jejich definice bude vylepšený, ale bude nadále fakticky beze změny.

mimo metrologii bude mít nový SI malý okamžitý praktický důsledek a většina lidí si ho nevšimne. Koneckonců, jednotky mohou být definovány odlišně, ale cílem je vždy udržet jejich velikost stejnou. Definování kilogramu, Kelvina, ampér a krtka zcela novými způsoby založenými na konstantách přírody je činí invariantními, přístupnými a praktickými. Vědci je proto budou moci měřit na jakémkoli místě nebo čase a v jakémkoli měřítku.

„poprvé budeme moci měřit malá a obrovská množství se stejnou velmi vysokou přesností, protože základní konstanty se nestarají o měřítko,“ dodává Schlamminger. Tohle je důležité. Než byl metr předefinován, délka mohla být měřena jen velmi přesně kolem metru. Ale od jeho redefinice vysoce přesné aplikace, jako je mikroelektronika, nesmírně těží z přesnosti, s jakou mohou měřit vzdálenost v malých měřítcích.

Podobně, nové kilogram umožní kilogram, gram, miligram měří totožné s přesností, a to i do té míry, že atomová hmotnost se měří v kilogramech. Dokud existuje experimentální spojení s planckovou konstantou, bude možné měřit hmotnost. Proto metrologové závodí s budováním stolních granulí a nových zařízení, která měří hmotnost přesně na stupnicích velkých i malých. Takže nová hmotnostní jednotka a jednotky SI jsou obecně konečně vhodné pro 21. století a zůstanou tak dlouho do budoucnosti. Jak schlamminger výstižně uzavírá: „Nový SI je konstrukce krásy a logiky.“

• Pro více informací o nové SI definice, podívejte se na free-to-číst Světě Fyziky Objev ebook Předefinování Kilogramu a Dalších Jednotek Stephan Schlamminger na www.physicsworlddiscovery.org