neljäkymmentä jalkaa maan alla Gaithersburgissa, Marylandissa, kirkkaanvalkoisessa laboratoriossa, johon tarvitaan kolme erillistä avainta, Yhdysvallat tallentaa arvokkaan kokoelman pieniä, kiiltäviä metallisylintereitä, jotka kirjaimellisesti määrittelevät kaiken massan tässä maassa.

ne ovat kauniita, peilipintaisia, ja minun täytyy vastustaa kiusausta koskettaa niitä. Jos koskisin niihin, voisin saastuttaa ne öljyllä iholtani ja mahdollisesti lisätä niiden painoa. Patrick Abbott, ”kilon pitäjä” täällä National Institutes of Standards and Technology (NIST), sanoo minulle, että se olisi erittäin huono.

tällä hetkellä kilogrammalla on hyvin yksinkertainen määritelmä: se on platina-iridiumseoksesta tehdyn kimpaleen massa, joka on ollut Kansainvälisen paino-ja Mittatoimiston tiloissa Sèvresissä Ranskassa vuodesta 1889. Se on nimeltään Kansainvälinen prototyyppi kilogramma (alias. Big K eli Le Grand K), ja siitä on useita kopioita ympäri maailmaa — mukaan lukien seitsemän NISTISSÄ Gaithersburgissa — joita käytetään asteikkojen kalibrointiin ja sen varmistamiseen, että koko maailma on yhdellä mittausjärjestelmällä.

tässä on yksi NISTIN kopioista, nimeltään K4, taottu samasta metallinpalasta, josta iso K luotiin 1800-luvulla.

Katso tarkkaan. Hyvin pian tämä 129 vuotta vanha kilon normi nimittäin muuttuu.

tutkijat ympäri maailmaa kokoontuivat perjantaina Ranskan Versailles ’ ssa pidettyyn paino-ja Mittakonferenssiin, jossa äänestettiin kilogramman määritelmän muuttamisesta siten, että se sidottaisiin yleisvakioon luonnossa. Muutos astuu voimaan 20.toukokuuta 2019.

yksi tärkeä syy muutokseen on se, että Iso K ei ole vakio. Se on menettänyt noin 50 mikrogrammaa (noin ripsien massan) sen luomisen jälkeen. Mutta, turhauttavaa, kun Iso K menettää massaa, se on silti tasan kilogramma, nykyisen määritelmän mukaan.

kun Iso K muuttuu, kaiken muun on sopeuduttava. Tai vielä pahempaa: jos iso K varastettaisiin, maailmamme massamittausjärjestelmä ajautuisi kaaokseen.

Perjantain äänestyksessä maailman huippumittaustutkijat päättivät liittää kilon Planckin vakioon, kvanttimekaniikan peruskäsitteeseen, joka ei voi koskaan, koskaan muuttua — täällä maan päällä tai maailmankaikkeuden syvyyksissä.

Tämä on enemmän kuin tieteellinen voitto. Se on myös filosofinen, kuten opin NIST-tutkijoilta, jotka ovat työskennelleet vuosia uudelleenmäärittelyn parissa ja kutsuvat tätä hetkeä koko uransa jännittävimmäksi ajaksi.

uuden määritelmän myötä yleinen paino-ja mittakonferenssi täydentää metrijärjestelmän alkuperäisen haaveen , joka omaksuttiin Ranskan vallankumouksen keskellä. Metrijärjestelmä-josta kehittyi Kansainvälinen yksikköjärjestelmä eli SI-suunniteltiin ” kaikkia aikoja varten, kaikkia ihmisiä varten.”

”esineet muuttuvat aina”, sanoo uudelleenmäärittelyyn osallistunut NIST-tutkija Stephan Schlamminger. Uuden määritelmän mukaan ” siirrymme maan päällä olevasta esineestä siihen, mikä on taivaissa.”

ja se on jotain juhlimisen arvoista. Maailmassa, jossa kaikki tuntuu aina olevan murroksessa, nämä tiedemiehet ovat nyt varmistaneet, että kilo ei koskaan muutu.

kilogramman lyhyt historia

Mistä tietää, mitä jokin painaa? Siihen on ilmiselvä vastaus: laitat sen vaa ’ alle.

mutta kun menee ruokakauppaan ja punnitsee nipun omenoita, niin mistä tuo vaaka tietää, miltä kilo hedelmiä tuntuu?

jotta massamittauksissa olisi järkeä, tarvitaan kiinteä vertailupiste. Omenoiden täytyy painaa enemmän tai vähemmän. Jotta vältettäisiin kaaos ja jotta taloutemme toimisi, se on tunnustettava yleisesti.

Oman ruokakaupan vaaka kalibroitiin painolla, joka kalibroitiin painolla, ja niin edelleen. Kalibroinnit johtavat tänne NISTIN uumeniin. Yhdenmukaiset painot ja mitat ovat tärkeämpiä kuin ruokatavarat: Kuvittele, jos Boeing ei pystyisi selvittämään tarkasti, mitä lentokone painaa, tai jos lääketeollisuus ei pystyisi määrittämään pienen, mahdollisesti tappavan lääkeannoksen tarkkaa massaa.

Yhdysvalloissa käytetään edelleen keisarillisia yksiköitä: paunoja ja unsseja. Mutta oikeastaan kaikki mittamme ovat peräisin kansainvälisestä Yksikköjärjestelmästä eli SI: stä, joka käyttää mittareita ja kilogrammoja pituuden ja massan perusyksikköinä.

kun on kyse massasta Yhdysvalloissa, kaikki juontaa juurensa näihin kiekkomaisiin sylintereihin, jotka on tarkasti työstetty 1 kilogramman painoisiksi. Virallisesti 1 Pauna määritellään Yhdysvalloissa 0,45359237 kilogrammaksi. Jalan pituudeksi on määritelty 0,3048 metriä.

, mutta systeemi ei ollut aina niin järjestelmällinen. Ennen Ranskan vallankumousta ja metrijärjestelmän keksimistä painojen ja mittojen järjestelmät kaikkialla maailmassa olivat kaoottista, kuritonta sekasotkua.

”kuvitelkaa maailma, jossa joka kerta kun matkustatte, teidän on käytettävä mittauksissa erilaisia muunnoksia, kuten me teemme valuutan suhteen”, Madhvi Ramani BBC: ltä selittää. ”Näin oli ennen Ranskan vallankumousta 1700-luvun lopulla, jolloin painot ja mitat vaihtelivat paitsi kansasta toiseen, myös kansojen sisällä.”

Ranskan vallankumouksessa oli kyse feodaalikaudelta jääneiden vanhojen, arkaaisten, kaoottisten hierarkioiden kumoamisesta ja yhteiskunnan uudistamisesta egalitaariset päämiehet mielessään.

vallankumouksen innoittamina silloiset tiedemiehet halusivat aloittaa alusta uudella, johdonmukaisella mittausjärjestelmällä, jonka yksiköt eivät perustuneet kuninkaiden mielivaltaisiin määräyksiin vaan luontoon. Tavoitteena oli luoda mittausjärjestelmä ” kaikelle ajalle, kaikille ihmisille.”

Niinpä kun Ranskassa 1800 — luvun lopulla perustettiin International Bureau of Weights and Measures, mitta — pituuden standardiyksikkö-luotiin kymmenmiljoonasosan etäisyydeksi pohjoisnavalta päiväntasaajalle. Gramma on saanut inspiraationsa veden tiheydestä: se vastaa suurin piirtein 4°C: n lämpötilassa olevan 1 kuutiosenttimetrin massaa.

levittääkseen näitä uusia yksiköitä — varmistaakseen, että kaikki maailmassa ymmärtävät ne — metrijärjestelmän keksijät päättivät luoda fysikaalisia kappaleita ilmentämään ja määrittelemään ne. He muotoilivat metallitangon täsmälleen metrin pituiseksi. He loivat Ison K: n edustamaan 1 kilogramman eli 1 000 gramman massaa.

1800-luvulta lähtien kaikki vanhan metrijärjestelmän fyysiset jäänteet on korvattu mittauksilla, jotka on kiinnitetty luonnonvoimiin. Mittari määriteltiin alun perin suhteeksi maapallon kokoon. Mutta edes maailman muoto ei ole pysyvä. Maapallo ei välttämättä ole edes pysyvä. Nykyään mittarin määrittelee valonnopeus. Toinen on kiinnitetty alkuaineen cesiumin atomien liikkeeseen.

vain kilogramma on toistaiseksi määritelty fysikaalisen esineen perusteella.

mikä siis on tämä kilogramman Uusi määritelmä? Valmistautukaa, koska se on vähän outoa.

tiede kilogramman uudelleenmäärittelystä Planckin vakion suhteen selitti

perjantain äänestys yleisessä paino-ja Mittakonferenssissa meni läpi yksimielisesti. Muutokset astuvat voimaan vasta toukokuussa 2019. Kun muutos tulee, kilogramma määritellään kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä näin:

kilogramma, tunnus kg, on massan SI-yksikkö. Se määritellään ottamalla Planckin vakion h kiinteäksi numeeriseksi arvoksi 6,626 070 15 × 10-34 yksikkönä J s ilmaistuna, joka on yhtä suuri kuin kg m2 s -1 , jossa mittari ja sekunti määritellään C: n ja ∆vCs: n avulla.

What the heck?

sitä on paljon vaikeampi selittää kuin metallimöhkälettä Ranskassa. Mutta yritetään.

periaatteessa yleinen paino-ja mittakonferenssi määrittää Planckin vakion arvon, joka kuvaa, kuinka pienimmät aineen bitit vapauttavat energiaa diskreeteissä askelmissa tai kappaleissa (joita kutsutaan kvantoiksi).

Perjantain äänestyksessä Planckin vakioksi vahvistetaan nyt ja ikuisesti 6,62607015 × 10-34 m2 kg / s. ja tästä Planckin vakion kiinteästä arvosta tutkijat voivat johtaa kilogramman massan.

tämä uudelleenmäärittely on kestänyt vuosikymmeniä, koska Planckin vakio on pieni (se alkaa desimaalipilkusta ja sitä seuraa 33 nollaa) ja se jouduttiin laskemaan superpienen virhemarginaalin verran. Työ vaati huolellisia mittauksia uskomattoman monimutkainen kone nimeltään Kibble tasapaino (lisää, että alla), sekä havaintoja erittäin pyöreä pallo pii.

tuo selitys saattaa vaikuttaa vinolta. Ja se on. Mutta sen paremmin ymmärtämiseksi on hyödyllistä tarkastella, miten mittari-maailman standardipituuden yksikkö-määriteltiin uudelleen valonnopeuden suhteen esimerkkinä siitä, miksi tämä oli välttämätöntä.

mittari määriteltiin alun perin tangon pituudeksi kansainvälisessä paino-ja Mittatoimistossa Ranskassa. (Se määriteltiin sitten uudelleen vastaamaan tiettyä säteilyn aallonpituutta.) Tämän määritelmän ongelmana oli jälleen sen epätarkkuus. Se ei perustunut maailmankaikkeuden muuttumattomiin ominaisuuksiin.

valon nopeus sen sijaan on muuttumaton 299 792 458 metriä sekunnissa. Riippumatta siitä, missä olet, tutkijat uskovat, se pysyy samana. (Ainakin, jos se ei muutu, että upend eniten kaikkea tiedämme fysiikasta.)

vuoteen 1983 mennessä fyysikot olivat tulleet todella hyviksi valon nopeuden mittaamisessa. Mittarin pituus korjattiin ikuisiksi ajoiksi, jotta mittarista tulisi pysyvä. Näin: he määrittelivät mittarin uudelleen siten,että se vastaa etäisyyttä,jonka valo kulkee tyhjiössä 1/299, 792, 458 sekunnissa. Käytännössä mittarin määritelmä on nyt leivottu osaksi valonnopeuden määritelmää.

tähän liittyy runoutta: tutkijat ottivat mittarin — ihmisten keksimän mielivaltaisen pituusmittauksen — ja kiinnittivät sen universaalivakioon. Sotkuiset ihmismittamme ovat ylittäneet heidän sotkuisen ihmisyytensä; ne ovat sulautuneet ikuiseen totuuteen.

Uusi, kevytmääritelty mittari on saman pituinen kuin vanha mittaristandardi Pariisissa. Mutta toisin kuin vanha standardi Pariisissa, nyt mittarin määritelmä ei voi koskaan, koskaan muuttua.

sama tapahtuu Planckin vakion kanssa. Planckin vakio on valonnopeuden tavoin universaali totuus, joka ei koskaan muutu.

asettamalla Planckin vakion lopullinen arvo — jonka yksikköihin kuuluu kilogramma, samaan tapaan kuin valonnopeuden yksikköihin kuuluu mittari — kilogramman koko on ikuisesti vakaa. Sen voi ajatella myös näin: kilo on ankkuroitu Planckin vakioon, jossa se lepää, ikuisesti.

(ehkä jos on lukenut tarkasti, on huomannut, että tässä on vähän kananpoikaongelma. Miten mittari pyritään määrittelemään valonnopeuden suhteen, jos valonnopeuden mittauksissa on mukana myös yksikkö ”metri”? Sama pätee Planckin vakioon: se sisältää kilogrammoja yksiköissään. Lyhyt vastaus: tämän takia näiden ongelmien parissa työskentelevillä on Tohtorintutkinto.)

Kibble balance on kone, joka tekee tämän kaiken mahdolliseksi

kilon uudelleenmäärittely Planckin kannalta on ollut valtava haaste, jonka valmistumiseen on mennyt vuosikymmeniä.

yhden kohdalla tutkijoiden oli kyettävä mittaamaan Planckin vakio äärimmäisen tarkasti. Jos arviomme valonnopeudesta olisi suuri virhemarginaali, se ei olisi luotettava ankkuri mittaamaan metriä. Sama koskee Planckia.

NIST: n tutkijat, kuten myös muutamat muut laboratoriot ympäri maailmaa, ovat vuosikymmenten ajan käyttäneet Kibble balance-nimistä laitetta (jota joskus kutsutaan wattitasapainoksi) Planckin vakion tarkkaan mittaamiseen niin tarkkaan, että sen avulla kilogramma voidaan määritellä uudelleen.

kilogramman standardien tapaan Kibble balance sijaitsee syvällä maan alla NIST: ssä. Se on rakennettu betonilattialle, joka voi kirjaimellisesti kellua rakennuksen perustusten yläpuolella, jotta sen herkät laitteet voidaan paremmin eristää muusta laitoksesta peräisin olevalta tärinältä. Joudun laittamaan muoviverkkoa hiusten ja kenkien päälle nähdäkseni sen, koska mikä tahansa romu voi heittää sen pois kalibroinnista.

Jos Victorialaiset olisivat rakentaneet aikakoneen ja pysäköineet sen panimoon, kuvittelisin sen näyttävän joltain tältä.

Kibble-tasapaino toimii jonkin verran yksinkertaisen massataseen tavoin. Kuvittele mielessäsi nainen, jota oikeus pitää kädessään: siinä on kaksi pannua, jotka tasapainoilevat keskikohdassa. Yksinkertainen tasapaino vertaa kahta painoa kumpaankin pannuun, ja tavoitteena on rinnastaa ne.

kibblen tasapaino — joka on nimetty edesmenneen keksijänsä, brittiläisen fyysikon Bryan Kibblen mukaan — tekee jotain samankaltaista, mutta kvanttimekaanisella kierteellä. Se rinnastaa kappaleen massan aiheuttaman mekaanisen energian vastaavaan määrään sähköenergiaa.

kaavaa, jolla Kibble-tasapaino saadaan massan ja sähkötehon rinnastamiseksi, on monimutkainen. (NIST: n tutkijat toivat minut alla näkyvälle taululle selittämään.)

tärkeää on, että tässä yhtälössä — kaikkien pelissä olevien muuttujien joukossa, joihin kuuluvat massa, nopeus, gravitaatiovoima, magnetismi ja sähkö — on Planckin vakio. Tämän koneen avulla tutkijat onnistuivat ratkaisemaan Planckille. Matematiikka toimii, koska kuten Albert Einstein opetti meille kuuluisimmalla yhtälöllään E=mc2 , massa ja energia ovat pohjimmiltaan saman asian eri ilmauksia.

nyt saatat ajatella: Mitä Kibble balance tekee nyt, kun se on määritelty Planckin vakio?

no, se korvaa Ranskassa Ison K: n tarpeen, koska se tietää nyt Planckin vakion kannalta kilogramman massan. Ja se on tarkka mittaus, tapa varmistaa, että kilogramma on yhä kilogramma, jota voidaan käyttää kappaleiden punnitsemiseen ja niiden massan määrittämiseen uuden standardin mukaisesti.

”juuri nyt laadunvarmistuksemme vakaudesta perustuu sopimukseen”, Abbott sanoo. ”Sanomme, että se ei tule muuttumaan. Meidän laadunvarmistuksemme Kibble balancessa on, että se perustuu luonnon vakioon, jota koko maailma on tarkasti mitannut. tiedämme, ettei se muutu. Siinä on kaikki maailman ero.”

painojen ja mittojen demokratisointi on käynnissä

Still with me?

Jos kaiken kaunistelee, niin tässä tämä muutos pohjimmiltaan on: emme tarvitse enää hallitusta — USA: ta, Ranskaa, ketä tahansa — tai kansainvälistä hallintoelintä kertomaan, mikä kilo on. Se on universumin perustotuus, joka on kaikkien saatavilla, joilla on asianmukaiset välineet sen toteuttamiseen.

teoriassa kuka tahansa voi rakentaa Kibble-tasapainon. (Minulle on kerrottu, että tulossa on miniatyyrisia.) ”He voivat rakentaa tämän kokeen, ja he voivat mitata minkä tahansa massan, minkä tahansa materiaalin, vain laittaa sen vaa ’alle ja saa massan arvon, absoluuttisen, Planckin vakion suhteen”, Darine El Haddad, joka johtaa Kibble balance experiment NIST: ssä, sanoo. Kibble-saldo mahdollistaa hänen mukaansa” absoluuttisen mittauksen”.

tulevaisuudessa valmistavan teollisuuden ei tarvitse lähettää painojaan ja vaa ’ aaan NIST: lle kalibrointia varten. Heillä voisi olla Kibble balance tehtaansa lattialla. Tässä valossa, Uusi määritelmä on demokraattisempi — sellainen, jota voidaan vapaasti käyttää kaikkialla maailmassa, eikä sitä pidetä lukkojen takana Ranskassa.

muutoksessa on kuitenkin isoja haittoja. ”Ihmiset eivät edes ymmärrä metrijärjestelmää”, Abbott sanoo. ”Miten selität Kibble-tasapainon?”Määritelmän monimutkaisuus voi olla turn-off ihmisille, jotka haluavat oppia tieteestä. Alakouluikäinen voi ymmärtää, että metallikimpale painaa kilon, mutta kvanttimekaniikka?

Schlamminger väittää, että vaikka Uusi määritelmä on teknisesti monimutkaisempi, ”filosofisesti se on yksinkertaisempi.”Kilogramman määrittelee pian maailmankaikkeuden perusfysiikka, ei mikään ihmisen koneisto.

Schlammingerin käsivarteen on tatuoitu metrijärjestelmän perustussanat ”for all times, for all people” Planckin vakion numeroiden ohella. Niin vahvasti hän uskoo ihanteeseen. Hän näkee teoksen ” viimeistelevän kaaren, joka alkoi Ranskan vallankumouksesta.”Ja se on valmis: perjantain äänestyksen myötä kilo on nyt ikuinen, kaikkien aikojen ja kaikkien ihmisten.

Katso kaikki tarinat tieteessä &terveys