Pariisin laitamilla, kahdeksan metriä maanpinnan alapuolella ilmastoidussa holvissa, istuu 143 vuotta vanha platinaseossylinteri. Se on vain 39 mm pitkä, eikä siihen ole koskaan koskettu ihmiskäsillä. Kuten herkkä venäläinen nukke, sylinteri on häkkinä kolmen sisäkkäisen Lasikellon sisällä huoneessa, johon pääsee vain kolmella avaimella, joita pitää kolme eri ihmistä. Salaperäisen esineen ympärillä on ”the witness”: kuusi” identtistä ” sylinteriä, jotka on valettu samasta platinaseoksesta.

vaikka säilytyspyrkimykset ovat Torinon käärinliinan kanssa kilpailevia, lieriö ei ole pyhä uskonnollinen esine. Se on kansainvälinen prototyyppi kilogramma (IPK), ainoa oikea kilogramma, johon kaikki muut mitataan. IPK sijaitsee Pavillon de Breteuil – koti International Bureau of Weights and Measures (Bipm) – IPK menettää pian ainutlaatuisen asemansa ja tulee jäänne menneestä ajasta. Se on silloin yhtä viehättävä kuin kansainvälinen Prototyyppimittari (IPM) – platinaseostanko, joka toimi maailman virallisena metrinä vuoteen 1960 asti.

16.marraskuuta 2018 metrologit ja päättäjät 60 maasta ympäri maailmaa kokoontuvat yleiseen paino-ja Mittakonferenssiin (CGPM) Versailles ’ hin, Ranskaan. Siellä ei ole mitään epätavallista, sillä kokous kokoontuu kerran neljässä vuodessa keskustelemaan budjeteista ja metrologian kysymyksistä. Mutta tästä tapaamisesta tulee erityinen. Jäsenvaltiot äänestävät siitä, hyväksyvätkö ne laajimman muutoksen kansainväliseen yksikköjärjestelmään (Système International eli si) sen perustamisesta vuonna 1960 lähtien. Muutos sisältää uusia määritelmiä kelvinille, ampeerille ja moolille, mutta ehkä merkittävimmin kilolle.

jokainen jäsenmaa antaa yhden äänensä prosessissa, joka lähetetään suorana verkkoon. Jos muutos on ratifioitu (ja kaikki merkit ovat, että se on) tapahtuma merkitsee loppua perustaa yksiköiden esineitä – käytäntö vuodelta vuosituhansia. Se myös lopulta täyttää toiveen, jonka ensimmäisenä esitti James Clerk Maxwell, joka ennusti, että mittausstandardit voitaisiin jotenkin määritellä muuttumattomien luonnonvakioiden avulla.

vankka perusta

puhuessaan British Association for the Advancement of Science-järjestön kokouksessa Liverpoolissa vuonna 1870 Maxwell sanoi edustajille, että ”jos…haluamme saada pituuden, ajan ja massan standardit, jotka ovat ehdottoman pysyviä, meidän ei tule etsiä niitä planeettamme ulottuvuuksista tai liikkeestä tai massasta, vaan näiden katoamattomien ja muuttumattomien ja täysin samanlaisten molekyylien aallonpituudesta, värähtelyjaksosta ja absoluuttisesta massasta.”

sisäpiiriläisten nähdessä mitään vihiä negatiivisesta tuloksesta BIPM: n kokouksessa tässä kuussa, on turvallista olettaa, että päätös SI: n uudistamisesta menee läpi vastustamattomana ja Maxwellin toive ”ehdottoman pysyvistä” standardeista toteutuu. Uusi SI astuu virallisesti voimaan 20.toukokuuta 2019, tarkalleen kymmenkunta (144) vuotta ensimmäisen kansainvälisen mittayksiköitä koskevan sopimuksen – Metrisopimuksen – allekirjoittamisen jälkeen, joka allekirjoitettiin samana päivänä vuonna 1875. Mutta miksi on niin tärkeää, että yksiköt perustuvat luonnonvakioihin?

yksiköt ovat olleet yhteiskunnan peruspilareita ainakin muinaisten egyptiläisten ajoista lähtien. He käyttivät ihmisruumiin eri osia tai ympäristössään olevia esineitä vaa ’ ankielinä, joiden avulla he mittasivat asioita. Silti nämä normit voivat olla hurjan erilaisia eri paikoissa. Luonnonfilosofeille 1600-ja 1700 – luvun Euroopassa yksikkövaihtelu – erityisesti pituus ja massa-teki lähes mahdottomaksi verrata saman fysikaalisen ilmiön tuloksia, jos se oli mitattu eri paikoissa.

yritettiin eri tavoin luoda universaali mitta, ja vuonna 1799 Ranska otti käyttöön metrijärjestelmän, joka perustui kahteen yksikköön – metriin ja kilogrammaan. Arkiston metrinä ja arkiston Kilona tunnetut kaksi platinaesinettä varastoitiin Pariisin Archives Nationalesiin, jotta yksiköt määriteltäisiin laillisesti ja käytännössä. Nämä standardit olivat voimassa 90 vuotta, kunnes ne korvattiin IPM: llä ja IPK: lla, jotka olivat fyysisesti kovempia ja paremmin suunniteltuja.

Universal thinking

si-yksiköt ovat kietoutuneet tieteeseen. Energiaa määrittävästä joulesta katalyyttisen aktiivisuuden mittaamiseen käytettävään kataaliin kaikki 29 nimettyä SI-yksikköä voidaan määritellä jollakin vain seitsemän perusyksikön yhdistelmällä: toinen, metri, kilogramma, ampeeri, kelvin, mooli ja Kandela. Mutta kun tiede tuli yhä tarkemmaksi 1900-luvulla, uusi ongelma nosti päätään. Mikä tahansa johonkin – esineeseen, kokeeseen tai ilmiöön – perustuva yksikkö, joka ei ole universaali, on epävakaa.

harkitse toista. Se liittyy historiallisesti maapallon vallankumoukseen, joka määritellään 24 tunnin kestoksi, jossa tunti on 60 minuuttia ja minuutti on 60 sekuntia. Mutta mitä tapahtuu, jos Maapallo alkaa pyöriä hitaammin, kuten se tekee, vaikkakin hieman? Päivä on pidempi, eli sekunti on pidempi myös reaalisessa mielessä. Se tarkoittaa, että 30 km/h rekisteröivä auto kulkee itse asiassa hieman hitaammin, 30 W: n polttimo himmenee hieman ja, mikä vielä järjettömämpää, maailmankaikkeus laajenee eri tahtiin.

Jos kuitenkin sekunnin käsite ja kesto säilytetään, mutta maan pyörimisliike poistetaan määritelmästä ja korvataan jollakin, joka ei koskaan muutu missä ja milloin sitä maailmankaikkeudessa mitataan, toisesta tulee stabiili. Tämä tehtiin vuonna 1967, jolloin toinen määritettiin uudelleen 9 192 631 770-kertaiseksi säteilyn jaksoksi, joka vastaa siirtymistä cesium-133-atomin maanpinnan kahden hyperfiinitason välillä, Δν (katso Helen Margolisin ”a brief history of time-keeping”).

myöhemmin, vuonna 1983, metri määriteltiin myös uudelleen, sillä valon tyhjiössä kulkeman polun pituus aikavälillä 1/299,792,458 sekuntia. Se erinomainen tarkkuus, jolla tiedemiehet ovat sittemmin pystyneet mittaamaan aikaa ja etäisyyttä, on hyödyttänyt yhteiskuntaa, eikä vähiten johtamalla satelliittipaikannusjärjestelmiin, erityisesti GPS: ään.

Planck pelastukseen

huolimatta siitä, että hän on palvellut yhteiskuntaa hyvin 143 vuotta, kilogramman määritteleminen yksittäisen esineen perusteella on luonnostaan epävakaa käsite. Se johtuu siitä, että jos IPK kevenee tai painuu, jopa pienellä määrällä, myös maailmankaikkeuden massa kilogrammoina ilmaistuna muuttuu-hullu ehdotus. Hieman huolestuttavasti IPK on muuttunut. Kun metrologit mittasivat sitä vuosina 1988-1991, IPK: n massa oli keskimäärin noin 50 µg vähemmän kuin kuuden todistajan. Tämä merkitsee määritelmällisesti sitä, että todistajat olivat saaneet jonkin verran massaa, kenties imemällä itseensä ilmamolekyylejä. Mutta todennäköisempää – kun otetaan huomioon, että myös monet kilon kotimaiset kopiot näyttivät kasvattavan massaansa-on, että IPK oli menettänyt massaansa. Tai ehkä he kaikki olivat saaneet tai menettäneet massaa, vain eri tahtiin.

Metrologit eivät nähneet IPK: n ja todistajien välillä enää ajelehtimista vuodesta 1991 vuoteen 2014, jolloin mittauksia tehtiin viimeksi. Mutta se, ettei ajautumista ollut, ei merkinnyt sitä, että IPK: n massa tai todistajat eivät olisi vaihtuneet. He ovat saattaneet yksinkertaisesti menettää tai saada massaa samanaikaisesti. Ja se on ongelma: sitä ei voi tietää, koska massa kalibroidaan aina IPK: ta vastaan.

”uudistetun SI: n myötä meidän ei tarvitse huolehtia näistä asioista”, selittää Richard Davis, entinen bipm: n joukko-osaston johtaja, joka toimii nykyään FBI: n konsulttina. Sen sijaan, että kilogramma määriteltäisiin metallisylinterin massan mukaan, uudessa SI: ssä kilogramma perustuu kvanttifysiikan perusvakioon: Planckin vakio.

nimetty Max Planckin mukaan, joka kehitti ajatuksen, että energia tulee pienissä paketeissa nimeltä quanta, Planckin vakio, h, suhteuttaa yhden sähkömagneettisen säteilyn kvantin energian taajuuteensa kuuluisalla kaavalla E = hv. Planckin vakio puolestaan liittyy massaan Einsteinin E = mc2: n kautta. Tällä hetkellä h: n mitattu arvo on noin 6,62607 × 10-34 m2 kg s–1, mutta metrologit haluavat nyt vahvistaa sen arvon kiveen, jolloin kilogramma määritellään tämän arvon mukaan.

se on siis hyvästit IPK: lle, joka on fyysisesti epävakaa kohde, ja hyvästit epävarmuudelle Planckin vakion arvossa. ”Uudelleenmäärittelyn jälkeen järkkymätön Planckin vakio on kiinnitetty arvoon, kun taas epävarmuus on sopivammassa suhteessa IPK: n massaan”, sanoo metrologi Stephan Schlamminger Yhdysvaltain kansallisesta standardointi-ja teknologiainstituutista. ”Ja kiinteällä Lankkuvakiolla paremmat laitteet pystyvät realisoimaan kilon yhä tarkemmin.”

Watt do You mean

aloittaaksesi oikealla jalalla on tärkeää, että arvo, jolla Planckin vakio on kiinteä, mitataan mahdollisimman tarkasti. Tämä vastuu perustuu kahden hyvin erityyppisen kokeen mittauksiin. Ensimmäinen näistä on nimeltään Kibble balance, aiemmin nimeltään watt balance, mutta nyt nimetty sen keksijän Bryan Kibblen kunniaksi Britannian National Physical Laboratory, joka kuoli vuonna 2016. Tällä hetkellä vain Ranskassa, Kanadassa ja Yhdysvalloissa on Kibble balances, joka pystyy tekemään tarvittavat mittaukset Planckin vakio. Monet muut pyrkivät kuitenkin rakentamaan omaa tasapainoaan. Hi-tech-asteikkojen tavoin Kibble-tasapaino käyttää sähkömagneettisia voimia, jotka saadaan magneettikenttään upotetusta lankakelasta tasapainottamaan kilogramman massaa. Laitteen avulla metrologit voivat ottaa tarkat virran ja jännitteen arvot, joista Planckin vakio voidaan johtaa (KS.alla oleva laatikko).

The Kibble balance

mitä nyt? Kibble (tai watt) tasapaino koostuu pyöreä, vaakasuora kela lanka pituus, L, ripustettu yksi varsi tasapaino. Kela on sijoitettu voimakkaaseen magneettikenttään, B, ja sen läpi kulkee sähkövirta, I, joka tuottaa voiman, F = BIL, joka voidaan säätää samalle vaa ’ an varrelle asetetun massan painoksi (mg). Massaksi ilmoitetaan tällöin m = BIL / g.

Mikä hätänä? Vaikka minut voidaan mitata tarkasti, on vaikea tehdä samaa B: lle ja L: lle.

joten mikä on ratkaisu? Metrologit poistavat massan ja liikuttavat kelaa nopeudella u magneettikentässä, jolloin syntyy jännite V = BLu. Laitetta kutsutaan wattitasapainoksi, koska järjestelemällä kahta yhtälöä uudelleen sähkövoima (VI) tasapainotetaan mekaanisella teholla (MGU). Toisin sanoen, m = VI / gu. Koska u on helppo mitata ja G (painovoiman aiheuttama kiihtyvyys) tunnetaan hyvin, B: n ja L: n mittaamisen ongelmat ovat hävinneet.

mutta mikä on yhteys Planckin vakioon, h? Se on fiksuinta. Virta määritetään johtamalla se vastuksen läpi ja Josephson-efektin avulla mittaamalla syntyvä jännitteen lasku. Tämä vaikutus kuvaa sitä, että jos kaksi suprajohdetta erotetaan ohuella eristeellä, elektronipareja kussakin kerroksessa pari niin, että taajuuden mikroaaltosäteily, f, luo jännitteen kerroksen poikki V = hf/2e, jossa e on elektronin varaus. Vastuksen vastus voidaan mitata, koska elektronivirta 2D-järjestelmissä ultralowissa lämpötiloissa on kvantisoitu, johtavuuden kasvaessa kerrannaisina e2/h.

joten miksi tämä on hyvä metrologiassa? Tähän asti Kibble-tasapaino on mitannut h SI-yksiköissä. Mutta kun kilogramman määritelmää muutetaan, h: n numeerinen arvo vahvistetaan kiveen, jolloin kuka tahansa voi käyttää tasapainoa massan mittaamiseen erittäin tarkasti.

toista tapaa mitata h: ta kutsutaan Röntgenkristallitiheydeksi (XRCD) tai Avogadron kokeeksi. Siinä on yhtenäinen pii-28-atominen kide, joka on työstetty lähes täydellisen pyöreäksi 1 kg: n palloksi. Optisen interferometrian avulla metrologit laskevat ensin pallon kokonaishalkaisijan – ja siten tilavuuden -. Yhdistämällä optisen interferometrian Röntgenanalyysiin ne voivat sitten laskea atomien välisen etäisyyden, kunkin omistaman tilavuuden ja siten pallon atomien kokonaismäärän. Lopuksi, punnitsemalla pallon, he voivat määrittää Avogadron vakion. Tämä lähestymistapa määrittelee, kuinka monta atomia tai molekyyliä aineen yhdessä moolissa on – määrä, joka on aivan erilainen kuin massa, joka nyt määrittelee moolin itse. Atomifysiikan yhtälö, joka yhdistää Avogadron ja Planckin vakiot, mahdollistaa jälkimmäisen tarkan arvon kaappaamisen.

laboratoriot eri puolilla maailmaa ovat käyttäneet näitä kahta eri tekniikkaa mitatakseen Planckin vakion poikkeuksellisen tarkasti, jolloin lopullinen,sovittu arvo on 6,626,070, 150 × 10-34 kg m2 s–1, suhteellisella epävarmuudella vain 10 part per billion (2018 Metrologia 55 L13). Mitä Avogadron vakio, se on vahvistettu 6.022, 140, 76 × 1023 mol-1. Ja kun Planckin ja Avogadron vakiot on vahvistettu, monimutkaisia kokeita, joista ne on johdettu, voidaan käyttää standardeina kilogramman ja moolin mittaamiseen.

käytännön vaikutus

helpoin tapa täsmentää, miten tämä toimii, on tarkastella Kibblen tasapainoa. Tähän asti sitä on käytetty mittaamaan tarkkoja virran ja jännitteen arvoja, jotka sitten liitetään yhtälöihin, jotta Planckin vakio saadaan. Tulevaisuudessa Planckin vakio on kiinteä arvo ja näillä samoilla mittauksilla saadaan sen sijaan massa vaa ’ alle. Toisin sanoen kuka tahansa, jolla on pääsy Kibble-tasapainoon, voi toteuttaa täydellisen kilon. Sama periaate pätee myös ampeeriin ja kelviniin, jotka annetaan jatkossa elektronin varauksen, e: n, ja Boltzmannin vakion, K: n suhteen. Laitteet, jotka on suunniteltu mittaamaan tarkasti nämä perusvakiot, käännetään nyt päälaelleen ampeerin ja kelvinin yksiköiden täsmälliseksi toteuttamiseksi (KS.alla oleva laatikko). Mitä tulee metriin, sekuntiin ja candelaan, niiden määritelmiä muutetaan, mutta ne pysyvät käytännössä muuttumattomina.

metrologian ulkopuolella uudella SI: llä ei ole juurikaan välittömiä käytännön seurauksia, ja se jää useimmilta huomaamatta. Yksiköthän voidaan määritellä eri tavalla, mutta tavoitteena on aina pitää niiden koko samana. Kilogramman, kelvinin, ampeerin ja moolin määritteleminen aivan uusilla tavoilla luonnonvakioiden perusteella tekee niistä invariantteja, helposti lähestyttäviä ja käytännöllisiä. Siksi tutkijat pystyvät mittaamaan niitä missä ja milloin tahansa ja missä mittakaavassa tahansa.

”ensimmäistä kertaa pystymme mittaamaan pieniä ja valtavia suureita samalla erittäin suurella tarkkuudella, koska perusvakiot eivät välitä asteikosta”, schlamminger lisää. Tämä on tärkeää. Ennen kuin metri määriteltiin uudelleen, pituutta voitiin mitata vain hyvin tarkasti metrin paikkeilla. Mutta uudelleenmäärittelyn jälkeen erittäin tarkat sovellukset, kuten mikroelektroniikka, ovat hyötyneet valtavasti tarkkuudesta, jolla ne voivat mitata etäisyyttä pienillä mittakaavoilla.

vastaavasti Uusi kilogramma mahdollistaa kilogramman, gramman ja milligramman mittaamisen samalla tarkkuudella, jopa siinä määrin, että atomimassat mitataan kilogrammoina. Massaa voidaan mitata niin kauan kuin on olemassa kokeellinen yhteys Planckin vakioon. Siksi metrologit ovat kilpaa rakentaa pöytäkiveä tasapainot ja uusia laitteita, jotka mittaavat massaa täsmälleen asteikoilla iso ja pieni. Niinpä uudet massayksiköt ja SI-yksiköt yleensä sopivat lopulta 2000-luvulle, ja pysyvät näin pitkälle tulevaisuuteen. Kuten Schlamminger osuvasti päättelee: ”Uusi SI on kauneuden ja logiikan rakenne.”

• saadaksesi lisätietoja uusista SI-määritelmistä, tutustu vapaasti luettavaan Physics World Discovery ebook Redefining the kilogramma and Other SI Units by Stephan Schlamminger at www.physicsworlddiscovery.org