Vierzig Fuß unter der Erde In Gaithersburg, Maryland, in einem strahlend weißen Labor, für dessen Eingabe drei separate Schlüssel erforderlich sind, lagern die Vereinigten Staaten eine wertvolle Sammlung kleiner, glänzender Metallzylinder, die buchstäblich die Masse von allem in diesem Land definieren.

Sie sind wunderschön, mit Spiegeloberflächen, und ich muss dem Drang widerstehen, sie zu berühren. Wenn ich sie berühre, könnte ich sie mit Öl von meiner Haut kontaminieren und möglicherweise ihr Gewicht erhöhen. Patrick Abbott, der „Hüter des Kilogramms“ hier bei den National Institutes of Standards and Technology (NIST), sagt mir, das wäre sehr schlecht.Derzeit hat das Kilogramm eine sehr einfache Definition: Es ist die Masse eines Stücks Platin-Iridium-Legierung, das seit 1889 im Internationalen Büro für Gewichte und Maße in Sèvres, Frankreich, untergebracht ist. Es heißt das Internationale Prototyp-Kilogramm (a.k.a. Big K oder Le Grand K), und es hat viele Kopien auf der ganzen Welt — darunter sieben bei NIST in Gaithersburg —, die verwendet werden, um Waagen zu kalibrieren und sicherzustellen, dass die ganze Welt auf einem Messsystem ist.

Hier ist eine der Kopien bei NIST, genannt K4, geschmiedet aus dem gleichen Stück Metall, aus dem Big K im 19.

Schauen Sie sich das genau an. Denn sehr bald wird sich dieser 129 Jahre alte Standard für das Kilogramm ändern.Am Freitag trafen sich Wissenschaftler aus der ganzen Welt auf der Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Versailles, Frankreich, und stimmten dafür, die Definition eines Kilogramms zu ändern und es an eine universelle Konstante in der Natur zu binden. Die Änderung tritt am 20.Mai 2019 in Kraft.

Ein wichtiger Grund für die Änderung ist, dass Big K nicht konstant ist. Es hat seit seiner Entstehung rund 50 Mikrogramm (etwa die Masse einer Wimper) verloren. Aber, frustrierend, wenn Big K an Masse verliert, Es ist immer noch genau ein Kilogramm, gemäß der aktuellen Definition.

Wenn sich Big K ändert, muss sich alles andere anpassen. Oder noch schlimmer: Wenn Big K gestohlen würde, würde das Massenmesssystem unserer Welt ins Chaos stürzen.Mit der Abstimmung am Freitag entschieden sich die besten Messwissenschaftler der Welt dafür, das Kilogramm an die Planck—Konstante anzuhängen, ein grundlegendes Konzept in der Quantenmechanik, das sich niemals ändern kann – hier auf der Erde oder in den Tiefen des Universums.

Dies ist mehr als ein wissenschaftlicher Sieg. Es ist auch eine philosophische, wie ich von den NIST-Wissenschaftlern gelernt habe, die seit Jahren an der Neudefinition arbeiten und diesen Moment als die aufregendste Zeit ihrer gesamten Karriere bezeichnen.

Mit der neuen Definition vervollständigt die Generalkonferenz für Maße und Gewichte den ursprünglichen Traum des metrischen Systems, der während der Französischen Revolution angenommen wurde. Das metrische System – das sich zum Internationalen Einheitensystem entwickelte, oder SI – wurde entworfen, um „für alle Zeiten zu sein, für alle Menschen.“Objekte ändern sich immer“, sagt Stephan Schlamminger, ein NIST-Wissenschaftler, der an der Neudefinition beteiligt ist. Mit der neuen Definition sagt er: „Wir gehen von einem Objekt“ auf der Erde „zu dem Zeug, das im Himmel ist.“

Und das ist es wert, gefeiert zu werden. In einer Welt, in der immer alles im Fluss zu sein scheint, haben diese Wissenschaftler nun dafür gesorgt, dass sich das Kilogramm niemals ändern wird.

Eine kurze Geschichte des Kilogramms

Woher weißt du, was etwas wiegt? Ich weiß, es gibt eine offensichtliche Antwort: Sie setzen es auf eine Skala.

Aber wenn Sie in ein Lebensmittelgeschäft gehen und ein Bündel Äpfel wiegen, woher weiß diese Waage, wie sich ein Pfund Obst anfühlt?

Damit Massenmessungen sinnvoll sind, benötigen wir einen festen Vergleichspunkt. Diese Äpfel müssen mehr oder weniger wiegen als etwas. Um Chaos zu vermeiden und unsere Wirtschaft funktionieren zu lassen, muss dies allgemein anerkannt werden.

Die Waage in Ihrem Lebensmittelgeschäft wurde mit einem Gewicht kalibriert, das mit einem Gewicht kalibriert wurde, das mit einem Gewicht kalibriert wurde, und so weiter. Und all diese Kalibrierungen gehen auf genau hier zurück, in den Eingeweiden von NIST. Konsistente Gewichte und Maße sind für mehr als Lebensmittel wichtig: Stellen Sie sich vor, Boeing könnte nicht genau herausfinden, was ein Flugzeug wiegt, oder wenn die Pharmaindustrie die genaue Masse einer winzigen, potenziell tödlichen Dosis von Medikamenten nicht bestimmen könnte.

In den Vereinigten Staaten verwenden wir immer noch imperiale Einheiten: Pfund und Unzen. Aber wirklich, Alle unsere Messungen stammen aus dem Internationalen Einheitensystem oder SI, das Meter und Kilogramm als grundlegende Einheiten für Länge und Masse verwendet.

Wenn es um die Masse in den USA geht, geht alles auf diese puckförmigen Zylinder zurück, die präzise bearbeitet werden, um 1 Kilogramm zu wiegen. Offiziell ist in den USA 1 Pfund als 0,45359237 Kilogramm definiert. Ein Fuß ist definiert als 0,3048 Meter.

Aber das System war nicht immer so geordnet. Vor der Französischen Revolution und der Erfindung des metrischen Systems waren die Gewichts- und Maßsysteme auf der ganzen Welt ein chaotisches, widerspenstiges Durcheinander.“Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Sie jedes Mal, wenn Sie reisen, unterschiedliche Umrechnungen für Messungen verwenden mussten, wie wir es für Währungen tun“, erklärt Madhvi Ramani von der BBC. „Dies war vor der Französischen Revolution im späten 18.Jahrhundert der Fall, als Gewichte und Maße nicht nur von Nation zu Nation, sondern auch innerhalb der Nationen variierten.“In der Französischen Revolution ging es darum, alte, archaische, chaotische Hierarchien aus der Feudalzeit zu stürzen und die Gesellschaft unter Berücksichtigung egalitärer Prinzipien neu zu gestalten.Inspiriert von der Revolution wollten die damaligen Wissenschaftler ein neues, konsistentes Messsystem entwickeln, das Einheiten nicht auf willkürlichen Mandaten von Königen, sondern auf der Natur beruhte. Ziel war es, ein Messsystem „für alle Zeiten, für alle Menschen“ zu schaffen.“Als das Internationale Büro für Maße und Gewichte in den späten 1800er Jahren in Frankreich gegründet wurde, wurde der Meter — die Standardlängeneinheit — geschaffen, um ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Nordpol zum Äquator zu betragen. Das Gramm lässt sich von der Dichte des Wassers inspirieren: Es entspricht ungefähr der Masse von 1 Kubikzentimeter Wasser bei 4° C.

Um diese neuen Einheiten zu verbreiten — um sicherzustellen, dass jeder auf der Welt sie versteht — beschlossen die Erfinder des metrischen Systems, physische Objekte zu schaffen, um sie zu verkörpern und zu definieren. Sie fertigten eine Metallstange an, die genau 1 Meter lang war. Sie schufen Big K, um die Masse von 1 Kilogramm oder 1.000 Gramm darzustellen.

Seit dem 19.Jahrhundert wurden alle physikalischen Relikte des alten metrischen Systems durch Messungen ersetzt, die an konstanten Naturkräften befestigt waren. Der Meter wurde ursprünglich als Anteil der Größe der Erde definiert. Aber auch die Form der Welt ist nicht dauerhaft. Heck, die Erde könnte nicht einmal dauerhaft sein. Heute wird das Messgerät also durch die Lichtgeschwindigkeit definiert. Die zweite ist an die Bewegung der Atome des Elements Cäsium gebunden.

Nur das Kilogramm wird noch durch ein physikalisches Objekt definiert.

Also, was ist diese neue Definition des Kilogramms? Bereite dich vor, denn es ist ein bisschen doozy.

Die Wissenschaft der Neudefinition des Kilogramms in Bezug auf die Planck-Konstante, erklärt

Die Abstimmung am Freitag auf der Generalkonferenz für Maße und Gewichte wurde einstimmig angenommen. Die Änderungen werden jedoch erst im Mai 2019 wirksam. Wenn die Änderung eintritt, wird das Kilogramm im Internationalen Einheitensystem wie folgt definiert:

Das Kilogramm, Symbol kg, ist die SI-Einheit der Masse. Es wird definiert, indem der feste numerische Wert der Planck-Konstante h als 6,626 070 15 × 10-34 angenommen wird, wenn er in der Einheit J s ausgedrückt wird, die gleich kg m ist2 s -1 , wobei das Messgerät und das zweite als c und ∆vCs definiert sind.

Was zum Teufel?

Es ist viel schwieriger zu erklären als ein Klumpen Metall in Frankreich. Aber lass es uns versuchen.Grundsätzlich wird die Generalkonferenz für Maße und Gewichte den Wert der Planck-Konstante festlegen, die beschreibt, wie die kleinsten Materiestücke Energie in diskreten Schritten oder Blöcken (Quanten genannt) freisetzen.

Mit der Abstimmung am Freitag wird die Planck-Konstante jetzt und für immer auf 6,62607015 × 10-34 m festgelegt2 kg/ s. Und aus diesem festen Wert der Planck-Konstante können Wissenschaftler die Masse eines Kilogramms ableiten.

Diese Neudefinition hat Jahrzehnte gedauert, da die Planck-Konstante winzig ist (sie beginnt mit einem Dezimalpunkt und wird von 33 Nullen gefolgt) und bis zu einer winzigen Fehlergrenze berechnet werden musste. Die Arbeit erforderte sorgfältige Messungen mit einer unglaublich komplizierten Maschine namens Kibble Balance (mehr dazu unten) sowie Beobachtungen einer extrem runden Kugel aus Silizium.

Diese Erklärung mag wackelig erscheinen. Und das ist es. Aber um es besser zu verstehen, ist es hilfreich zu sehen, wie der Meter — die Standardlängeneinheit der Welt — in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit als Beispiel dafür, warum dies notwendig war, neu definiert wurde.

Das Messgerät wurde ursprünglich vom Internationalen Büro für Maße und Gewichte in Frankreich als Länge eines Balkens definiert. (Es wurde dann neu definiert, um einer bestimmten Wellenlänge der Strahlung zu entsprechen.) Das Problem bei dieser Definition war wiederum ihre Ungenauigkeit. Es beruhte nicht auf unveränderlichen Eigenschaften des Universums.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt dagegen unveränderliche 299.792.458 Meter pro Sekunde. Egal wo Sie sind, Wissenschaftler glauben, es bleibt dasselbe. (Zumindest, wenn es sich ändert, würde das fast alles, was wir über Physik wissen, auf den Kopf stellen.)

Bis 1983 waren Physiker wirklich gut darin geworden, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Also benutzten sie es, um die Länge des Meters für immer zu fixieren, um es dauerhaft zu machen. So geht’s: Sie haben das Messgerät so neu definiert, dass es der Entfernung entspricht, die das Licht in einem Vakuum in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt. Im Wesentlichen wird die Definition des Messgeräts jetzt in die Definition der Lichtgeschwindigkeit eingebrannt.

Das hat eine Poesie: Wissenschaftler nahmen das Messgerät — eine willkürliche Längenmessung, die von Menschen erfunden wurde — und befestigten es an einer universellen Konstante. Unsere unordentlichen menschlichen Maße haben ihre unordentliche Menschlichkeit überschritten; Sie wurden mit einer ewigen Wahrheit verschmolzen.

Das neue, lichtdefinierte Messgerät hat die gleiche Länge wie der alte Messstandard in Paris. Aber im Gegensatz zum alten Standard in Paris kann sich die Definition des Zählers jetzt niemals ändern.

Das gleiche passiert mit der Planck-Konstante. Wie die Lichtgeschwindigkeit ist die Planck-Konstante eine universelle Wahrheit, die sich niemals ändern wird.

Durch die Einstellung eines Endwertes der Planck—Konstante — zu deren Einheiten das Kilogramm gehört, ähnlich wie die Einheiten der Lichtgeschwindigkeit den Meter – ist die Größe eines Kilogramms für immer stabil. Man kann es sich auch so vorstellen: Das Kilogramm wurde an der Planck-Konstante verankert, wo es für immer ruhen wird.

(Vielleicht, wenn Sie genau gelesen haben, haben Sie bemerkt, dass es hier ein Hühnchen-Ei-Problem gibt. Wie wollen Sie einen Meter in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit definieren, wenn Ihre Messungen der Lichtgeschwindigkeit auch die Einheit „Meter“ enthalten? Dasselbe gilt für die Planck-Konstante: Sie enthält Kilogramm in ihren Einheiten. Kurze Antwort: Deshalb haben die Leute, die an diesen Problemen arbeiten, promoviert.)

Die Kroketten-Waage ist die Maschine, die das alles möglich macht

Die Neudefinition des Kilogramms in Bezug auf das Gewicht war eine immense Herausforderung, die Jahrzehnte in Anspruch genommen hat.

Zum einen mussten Wissenschaftler die Planck-Konstante extrem genau messen können. Wenn unsere Schätzung der Lichtgeschwindigkeit eine große Fehlerquote hätte, wäre es kein zuverlässiger Anker, einen Meter zu messen. Das Gleiche gilt für Planck.Seit Jahrzehnten verwenden die Wissenschaftler am NIST sowie einige andere Labors auf der ganzen Welt eine Maschine namens Kroketten-Balance (manchmal auch als Watt-Balance bezeichnet), um die Planck-Konstante genau zu messen Grad, dass es verwendet werden kann, um das Kilogramm neu zu definieren.

Wie die Kilogrammstandards befindet sich die Kroketten-Waage tief unter der Erde am NIST. Es ist auf einem Betonboden gebaut, der buchstäblich über dem Fundament des Gebäudes schweben kann, um seine empfindlichen Geräte besser vor Vibrationen vom Rest der Anlage zu isolieren. Ich muss ein Plastiknetz über meinen Haaren und Schuhen tragen, um es zu sehen, weil jedes Stück Trümmer es außer Kontrolle bringen könnte.

Wenn die Viktorianer eine Zeitmaschine gebaut und in einer Brauerei geparkt hätten, würde ich mir vorstellen, dass sie ungefähr so aussehen würde.

Die Kroketten-Balance funktioniert ein wenig wie eine einfache Massenbilanz. Stellen Sie sich das vor, was Lady Justice in der Hand hält: Es hat zwei Pfannen, die an einem zentralen Punkt ausbalancieren. Eine einfache Waage vergleicht zwei Gewichte auf jeder der Pfannen, mit dem Ziel, sie gleichzusetzen.Die Kibble-Waage – benannt nach ihrem verstorbenen Erfinder, dem britischen Physiker Bryan Kibble — macht etwas Ähnliches, aber mit einer quantenmechanischen Wendung. Es setzt die mechanische Energie, die von der Masse eines Objekts ausgeübt wird, mit einer äquivalenten Menge elektrischer Energie gleich.

Die Formel, die die Kroketten-Balance ergibt, um Masse und elektrische Leistung gleichzusetzen, ist kompliziert. (Die NIST-Wissenschaftler brachten mich zu dem unten gezeigten Whiteboard, um es zu erklären.)

Wichtig ist, dass in dieser Gleichung — unter all den Variablen, die Masse, Geschwindigkeit, Anziehungskraft, Magnetismus und Elektrizität umfassen — die Planck-Konstante liegt. Und mit dieser Maschine konnten Wissenschaftler für Planck lösen. Die Mathematik funktioniert, weil, wie Albert Einstein uns mit seiner berühmtesten Gleichung E = mc2 lehrte , Masse und Energie im Wesentlichen verschiedene Ausdrücke derselben Sache sind.

Jetzt denken Sie vielleicht: Was macht das Kroketten-Gleichgewicht jetzt, da es die Planck-Konstante definiert hat?Nun, es ersetzt die Notwendigkeit von Big K in Frankreich, weil es jetzt die Masse eines Kilogramms in Bezug auf die Planck-Konstante kennt. Und das wird eine präzise Messung sein, ein Weg, um sicherzustellen, dass ein Kilogramm immer noch ein Kilogramm ist, das verwendet werden kann, um Objekte zu wiegen und ihre Masse nach dem neuen Standard zu bestimmen.

„Im Moment basiert unsere Qualitätssicherung auf der Stabilität von Vereinbarungen“, sagt Abbott. „Wir sagen, es wird sich nicht ändern. Unsere Qualitätssicherung für die Kroketten-Balance ist, dass sie auf einer Konstanten der Natur basiert, die von der ganzen Welt streng gemessen wurde. und wir wissen, dass es sich nicht ändert. Es ist der Unterschied in der Welt.“

Die Demokratisierung von Maßen und Gewichten ist im Gange

Immer noch bei mir?

Wenn Sie alles beschönigt haben, läuft diese Änderung auf Folgendes hinaus: Wir brauchen keine Regierung mehr — die USA, Frankreich, wer auch immer — oder ein internationales Leitungsgremium, das uns sagt, was ein Kilogramm ist. Es wird eine grundlegende Wahrheit des Universums sein, die jedem zur Verfügung steht, der über die richtige Ausrüstung verfügt, um sie zu verwirklichen.

Theoretisch kann jeder eine Kroketten-Balance aufbauen. (Mir wurde gesagt, dass es miniaturisierte auf dem Weg gibt.“Sie können dieses Experiment bauen, und sie können jede Masse messen, die sie wollen, jedes Material, legen Sie es einfach auf die Waage und Sie erhalten den Wert der Masse, absolut, in Bezug auf die Planck-Konstante“, sagt Darine El Haddad, Wer leitet das Kibble Balance Experiment am NIST, sagt. Die Kroketten-Balance ermöglicht eine „absolute Messung“, sagt sie.

In Zukunft muss die Fertigungsindustrie ihre Gewichte und Waagen nicht mehr zur Kalibrierung an NIST senden. Sie könnten eine Kroketten-Balance in ihrer Fabrik haben. Vor diesem Hintergrund ist die neue Definition demokratischer — eine, die in der ganzen Welt verwendet werden kann und nicht in einem Fall in Frankreich eingesperrt bleibt.

Es gibt jedoch einige große Nachteile der Änderung. „Die Leute verstehen nicht einmal das metrische System“, sagt Abbott. „Wie erklären Sie eine Kroketten-Balance?“ Die Komplexität der Definition kann für Menschen, die etwas über Wissenschaft lernen möchten, eine Abzweigung sein. Ein Grundschulkind kann verstehen, dass ein Stück Metall ein Kilogramm wiegt, aber Quantenmechanik?Schlamminger argumentiert, dass, während die neue Definition technisch komplizierter ist, „philosophisch ist es einfacher.“ Das Kilogramm wird bald durch die fundamentale Physik des Universums definiert, nicht durch irgendeine menschliche Maschinerie.Schlamminger hat die Gründungsworte des metrischen Systems „für alle Zeiten, für alle Menschen“ neben den Ziffern der Planck-Konstante auf seinen Arm tätowiert. So stark glaubt er an das Ideal. Er sieht diese Arbeit als „Abschluss des Bogens, der mit der Französischen Revolution begann.“ Und es ist vollständig: Mit der Abstimmung am Freitag ist das Kilogramm jetzt für immer, für alle Zeiten und für alle Menschen.