Čtyřicet metrů pod zemí v Gaithersburgu v Marylandu, v zářivě bílé laboratoři, která vyžaduje tři samostatné klíče pro vstup, Spojené Státy obchodech vzácnou sbírku malých, lesklé kovové válce, které doslova definovat hmotnost všeho, co v této zemi.

jsou krásné, se zrcadlem povrchové úpravy, a musím odolat nutkání se jich dotknout. Kdybych se jich dotkl, mohl bych je kontaminovat olejem z kůže a potenciálně zvýšit jejich hmotnost. Patrick Abbott,“ strážce kilogramu “ zde na National Institutes of Standards and Technology (NIST), mi říká, že by to bylo velmi špatné.

v Současné době, kilogram má velmi jednoduché definice: je To hmotnost kus z platiny-iridium slitiny, která byla umístěna u Mezinárodního Úřadu pro míry a Váhy v Sèvres, Francie od roku 1889. Jmenuje se International Prototype Kilogram (alias International Prototype Kilogram). Velké K, nebo Le Grand. K), a to má mnoho kopií po celém světě — včetně sedmi v NIST v Gaithersburg—, které jsou používány ke kalibraci váhy a ujistěte se, že celý svět je v jednom systému měření.

zde je jedna z kopií v NIST, nazvaná K4, kovaná ze stejného kusu kovu, ze kterého byl Big K vytvořen v 19. století.

podívejte se na to dobře. Protože velmi brzy se tento 129letý standard pro kilogram změní.

V pátek, vědci z celého světa se sešli na Generální Konferenci pro Váhy a míry v Versailles, Francie a hlasovali pro změnu definice kilogramu, vázání je univerzální konstanty v přírodě. Změna vstoupí v platnost 20. května 2019.

jedním z důležitých důvodů změny je, že velké K není konstantní. Od doby, kdy byla vytvořena, ztratila kolem 50 mikrogramů (o hmotnosti řasy). Ale, frustrovaně, když Big K ztratí hmotnost, je to stále přesně jeden kilogram, podle současné definice.

Když se Big k změní, vše ostatní se musí upravit. Nebo ještě horší: pokud by bylo ukradeno Velké K, náš světový systém měření hmotnosti by byl uvržen do chaosu.

hlasování v pátek, svět je nejvyšší měření vědci se rozhodli opatřit kilogram Planckova konstanta, základní pojem v kvantové mechanice, které mohou nikdy, nikdy změnit — zde na Zemi nebo v hlubokém vesmíru.

Toto je více než vědecké vítězství. To je filozofická taky, jak jsem se dozvěděl od NIST vědci, kteří pracovali pro let na redefinice a zavolat tuto chvíli nejvíce vzrušující období své kariéry.

S novou definicí , Generální Konference pro Váhy na Opatření dokončí původní sen o metrický systém, který byl objal uprostřed francouzské Revoluce. Metrický systém-který se vyvinul v mezinárodní systém jednotek, nebo SI-byl navržen tak, aby byl “ pro všechny časy, pro všechny lidi.“

„objekty se vždy mění,“ říká Stephan Schlamminger, vědec NIST zapojený do redefinice. S novou definicí říká: „jdeme od objektu“ na Zemi “ k věcem, které jsou na nebesích.“

a to je něco, co stojí za oslavu. Ve světě, kde se zdá, že všechno je v pohybu, se tito vědci nyní ujistili, že se kilogram nikdy nezmění.

stručná historie kilogramu

Jak víte, co něco váží? Já vím, existuje zřejmá odpověď: dáte to na stupnici.

ale když jdete do obchodu s potravinami a vážíte svazek jablek, jak tato stupnice ví, jak se cítí libra ovoce?

aby měření hmotnosti mělo smysl, potřebujeme pevný bod srovnání. Ta jablka musí vážit víceméně něco. Abychom se vyhnuli chaosu a umožnili fungování naší ekonomiky, musí být něco všeobecně uznáváno.

váha ve vašem obchodě s potravinami byla kalibrována hmotností, která byla kalibrována hmotností, která byla kalibrována hmotností atd. A všechny ty kalibrace sahají až sem, do útrob NIST. Jednotné váhy a míry záleží více, než potraviny: Představte si, že pokud Boeing nemohl přijít na to, přesně to, co letadlo váží, nebo jestli farmaceutický průmysl nedokázal určit přesnou hmotnost malé, potenciálně smrtelné dávky léku.

ve Spojených státech stále používáme imperiální jednotky: libry a Unce. Ale ve skutečnosti jsou všechna naše měření odvozena z mezinárodního systému jednotek nebo SI, který používá metry a kilogramy jako základní jednotky délky a hmotnosti.

pokud jde o hmotnost v USA, vše se vrací k těmto válcům ve tvaru puku, které jsou přesně opracovány tak, aby vážily 1 kilogram. Oficiálně je v USA 1 libra definována jako 0,45359237 kilogramů. Noha je definována jako 0,3048 metrů.

ale systém nebyl vždy tak uspořádaný. Před francouzskou revolucí a vynálezem metrického systému, systémy vah a měřítek po celém světě byly chaotické, nepoddajný nepořádek.

„Představte si svět, kde pokaždé, když jste cestovali, museli jste použít různé konverze pro měření, jako my pro měnu,“ vysvětluje Madhvi Ramani z BBC. „To byl případ před francouzskou Revolucí na konci 18. Století, kde váhy a míry lišily nejen od národa k národu, ale také uvnitř národů.“

francouzské Revoluce byla o sesazení staré, archaické, chaotické hierarchie, které zbyly z feudální éry a přetváření společnosti s rovnostářské principy v mysli.

vědci v té době, inspirovaní revolucí, chtěli začít znovu na novém, konzistentním systému měření, založeném na jednotkách ne na libovolných mandátech od králů, ale na přírodě. Cílem bylo vytvořit systém měření “ pro všechny časy, pro všechny lidi.“

Proto, když Mezinárodní Úřad Vah a Opatření, která byla založena ve Francii v pozdních 1800s, metr — standardní jednotka délky — byl vytvořen jako jeden deset-miliontina vzdálenosti od Severního Pólu k rovníku. Gram bere inspiraci od hustoty vody: je To zhruba stejné hmotnosti 1 krychlový centimetr vody uchovávány při teplotě 4°C.

K šíření těchto nových jednotek — aby se ujistil, že každý na světě rozumí jim — vynálezci metrický systém se rozhodl vytvořit fyzické objekty, aby ztělesňují a definovat je. Vytvořili kovovou tyč tak, aby byla přesně 1 metr dlouhá. Vytvořili Big K, který představuje hmotnost 1 kilogram nebo 1 000 gramů.

od 19. století byly všechny fyzické pozůstatky starého metrického systému nahrazeny měřeními připevněnými k konstantním silám přírody. Měřič byl původně definován jako podíl velikosti Země. Ale ani podoba světa není trvalá. Sakra, země nemusí být ani trvalá. Takže dnes je měřič definován rychlostí světla. Druhý je připojen k pohybu atomů prvku cesia.

pouze kilogram je zatím definován fyzickým objektem.

jaká je tedy tato nová definice kilogramu? Připravte se, protože je to trochu doozy.

věda o předefinování kilogramu v podmínkách Planckova konstanta, vysvětlil

páteční hlasování na Generální Konferenci pro Váhy a míry prošel jednomyslně. Změny ale začnou platit až v květnu 2019. Když dojde ke změně, takto bude kilogram definován v mezinárodním systému jednotek:

kilogram, symbol kg, je jednotka hmotnosti SI. Je definována tak, že pevná číselná hodnota Planckovy konstanty h bude 6.626 070 15 × 10-34, pokud je vyjádřena v jednotce J s, která se rovná kg m2 s -1, kde metr a druhý jsou definovány z hlediska c a ∆vCs.

Co to sakra?

je to mnohem těžší vysvětlit než kus kovu ve Francii. Ale zkusme to.

v Podstatě, Generální Konference pro Váhy a míry bude stanovení hodnoty Planckovy konstanty, která popisuje, jak nejmenší kousky hmoty uvolňují energii v diskrétních kroků nebo bloků (tzv. kvant).

hlasování v pátek, Planckova konstanta bude teď a navždy být nastaven jako 6.62607015 × 10-34 m2 kg/s. A z této pevné hodnoty Planckovy konstanty, mohou vědci odvodit hmotnost kilogram.

Tato redefinice úsilí trvalo desetiletí, protože Planckova konstanta je malá (to začíná s desetinnou čárkou a následuje 33 nul) a musela být vypočtena na super-malé rozpětí chyby. Práce vyžaduje pečlivé měření s neuvěřitelně složitý stroj nazvaný Granule bilance (o tom více níže), stejně jako pozorování extrémně kolo sféře křemíku.

toto vysvětlení se může zdát váhavé. A je. Abychom to však lépe ocenili, je užitečné podívat se na to, jak byl měřič — světová standardní jednotka délky — předefinován z hlediska rychlosti světla jako příklad toho, proč to bylo nutné.

měřič byl původně definován jako délka tyče na mezinárodním Úřadu pro Váhy a míry ve Francii. (Poté bylo nově definováno, aby se rovnalo určité vlnové délce záření.) Opět problémem této definice byla její nepřesnost. Nebylo založeno na neměnných vlastnostech vesmíru.

rychlost světla je naproti tomu neměnná 299 792 458 metrů za sekundu. Bez ohledu na to, kde jste, vědci věří, zůstává to stejné. (Alespoň, pokud se to změní, to by povýšilo většinu všeho, co víme o fyzice.)

do roku 1983 se fyzici dostali opravdu dobře v měření rychlosti světla. Takže to použili k tomu, aby navždy fixovali délku měřiče, aby byl trvalý. Zde je návod, jak: Se obnovoval metr se rovná vzdálenosti, kterou světlo urazí ve vakuu za 1/299,792,458 sekundy. V podstatě, definice měřiče je nyní zapečena do definice rychlosti světla.

k tomu je poezie: vědci vzali metr-libovolné měření délky vynalezené lidmi — a připojili jej k univerzální konstantě. Naše chaotická lidská měření překonala jejich chaotickou lidskost; byly spojeny s věčnou pravdou.

nový měřič definovaný světlem má stejnou délku jako starý měřič v Paříži. Ale na rozdíl od starého standardu v Paříži se nyní definice měřiče nikdy nemůže změnit.

totéž se děje s planckovou konstantou. Stejně jako rychlost světla je Planckova konstanta univerzální pravdou, která se nikdy nezmění.

Pomocí nastavení konečná hodnota Planckovy konstanty — jednotky, které zahrnují kilogram, stejně jako jednotky rychlosti světla zahrnovat metr — velikost kilogram je navždy stabilní. Můžete na to také myslet takto: kilogram byl ukotven k planckově konstantě, kde bude navždy odpočívat.

(možná, pokud jste pozorně četli, všimli jste si, že je zde trochu problém s kuřecím masem a vejcem. Jak se snažíte definovat metr z hlediska rychlosti světla, pokud vaše měření rychlosti světla také obsahuje jednotku „metr“? Je to totéž pro planckovu konstantu: obsahuje kilogramy ve svých jednotkách. Stručná odpověď: To je důvod, proč lidé pracující na těchto problémech mají PhD.)

Kibble balance je stroj, který to všechno umožňuje

předefinování kilogramu z hlediska Plancka bylo obrovskou výzvou, která trvá desetiletí.

za prvé, vědci museli být schopni měřit planckovu konstantu v extrémně přesné míře. Pokud by náš odhad rychlosti světla měl velkou chybu, nebylo by spolehlivou kotvou měřit metr. Totéž platí pro Plancka.

Po celá desetiletí, vědci v NIST, stejně jako několik dalších laboratořích po celém světě byly pomocí stroje zvané Granule rovnováhu (někdy odkazoval se na jako watt balance) tak, aby přesně změřit Planckovu konstantu k dost opatrný míry, že to může být použit k nově definovat kilogram.

stejně jako kilogramové standardy je rovnováha granulí umístěna hluboko pod zemí v NIST. Je postaven na betonové podlaze, která se může doslova vznášet nad základy budovy, aby lépe izolovala své citlivé zařízení od jakýchkoli vibrací od zbytku zařízení. Musím nosit plastovou síť přes vlasy a boty, abych se na ni podíval, protože jakýkoli kousek trosek by ji mohl vyhodit z kalibrace.

kdyby Viktoriáni postavili stroj času a zaparkovali ho v pivovaru, představoval bych si, že by vypadal nějak takto.

Kibble balance funguje poněkud jako jednoduchá hmotnostní bilance. Představte si, že jedna dáma Justice drží v ruce: má dvě pánve, které balancují v centrálním bodě. Jednoduchá rovnováha porovnává dvě váhy na každé z pánví s cílem vyrovnat je.

Kibble balance-pojmenovaná po svém pozdním vynálezci, britském fyzikovi Bryanu Kibbleovi-dělá něco podobného, ale s kvantově mechanickým zvratem. Rovná se mechanická energie vyvíjená hmotností objektu s ekvivalentním množstvím elektrické energie.

vzorec bilance granulí, který se rovná hmotnosti a elektrické energii, je komplikovaný. (Vědci NIST mě přivedli na níže uvedenou tabuli, abych to vysvětlil.)

důležité je, že v této rovnici — mezi všemi proměnnými ve hře, které zahrnují hmotnost, rychlost, gravitační tah, magnetismus a elektřinu — leží Planckova konstanta. A pomocí tohoto stroje byli vědci schopni vyřešit Plancka. Matematika funguje, protože, jak nás Albert Einstein učil svou nejslavnější rovnicí E=mc2 , hmotnost a energie jsou v podstatě odlišné výrazy stejné věci.

teď možná přemýšlíte: Co dělá rovnováha granulí, když je definována Planckova konstanta?

nahrazuje potřebu velkého K ve Francii, protože nyní zná hmotnost kilogramu z hlediska Planckovy konstanty. A to bude přesné měření, způsob, jak zajistit, aby kilogram byl stále kilogram, který lze použít k vážení předmětů a stanovení jejich hmotnosti podle nového standardu.

„právě teď je naše zajištění kvality stability založeno na dohodě,“ říká Abbott. „Říkáme, že se to nezmění. Naše záruka kvality na Kibble balance je, že je založena na konstantě přírody, která byla přísně měřena celým světem. a víme, že se to nemění. Je to všechno rozdíl ve světě.“

demokratizace závaží a opatření probíhá

stále se mnou?

Pokud se vám zamlouvají to, tady je to, co vše tato změna se scvrkává na to: Budeme již potřebovat vládu — USA, Francie, kdo — nebo mezinárodní řídící orgán, aby nám řekl, co kilogram. Bude to základní pravda vesmíru, k dispozici každému, kdo má správné vybavení, aby si to uvědomil.

teoreticky může každý vytvořit rovnováhu granulí. (Bylo mi řečeno, že jsou na cestě miniaturizované.) „Mohou stavět tento experiment, a oni mohou měřit jakékoli hmoty chtějí, jakýkoli materiál, stačí dát ji na rovnováhu a dostanete hodnotu hmotnosti, absolutní, pokud jde o Planckovu konstantu,“ Darine El Haddad, který provozuje Granule rovnováhu experiment na NIST, říká. Bilance granulí podle ní umožňuje „absolutní měření“.

v budoucnu zpracovatelský průmysl nebude muset posílat své váhy a váhy do NIST pro kalibraci. Mohli by mít na podlaze továrny rovnováhu granulí. V tomto světle je nová definice demokratičtější-definice, která je volně použitelná po celém světě a není držena zavřená v případě ve Francii.

změna má však několik velkých nevýhod. „Lidé nerozumí ani metrickému systému,“ říká Abbott. „Jak vysvětlíš rovnováhu granulí?“Složitost definice může být turn-off pro lidi, kteří se chtějí dozvědět o vědě. Dítě základní školy může pochopit, že kus kovu váží kilogram,ale kvantová mechanika?

Schlamminger tvrdí, že zatímco nová definice je technicky komplikovanější, “ filozoficky je to jednodušší.“Kilogram bude brzy definován základní fyzikou vesmíru, ne nějakou lidskou machinací.

Schlamminger má na paži vytetovaná základní slova metrického systému „pro všechny časy, pro všechny lidi“, vedle číslic Planckovy konstanty. Tak silně věří v ideál. Vidí tuto práci jako “ dokončení oblouku, který začal francouzskou revolucí.“A je to kompletní: s pátečním hlasováním je kilogram navždy, po celou dobu a pro všechny lidi.