Párizs külvárosában, nyolc méterrel a föld alatt egy klímaberendezéses boltozatban ül egy 143 éves platina ötvözet henger. Mindössze 39 mm magas, soha nem érintette az emberi kéz. Mint egy finom orosz baba, a hengert három beágyazott üvegharang belsejében ketrecbe helyezik egy olyan helyiségben, amely csak három kulcs segítségével érhető el, amelyeket három különböző ember tart. A titokzatos tárgyat körülvevő “tanúk”: hat” azonos ” henger, amelyek ugyanabból a platina ötvözetből készültek.

bár a konzerválási erőfeszítések riválisa a Torinói lepel, a henger nem szent vallási tárgy. Ez a nemzetközi prototípus kilogramm (IPK), az egyetlen valódi kilogramm, amelyhez az összes többi mérésre kerül. A Nemzetközi Súly – és Mértékügyi Hivatal (BIPM) otthona, a Pavillon de Breteuil – ban található IPK hamarosan elveszíti egyedülálló státuszát, és egy letűnt kor emlékévé válik. Ez lesz olyan furcsa, mint a nemzetközi prototípus méter (IPM) – egy platina ötvözet bár is otthont a BIPM-szolgált a világ hivatalos méter 1960-ig.

2018.November 16-án a világ 60 országának mérnökei és politikai döntéshozói összegyűlnek a súlyokról és intézkedésekről szóló általános konferencián (Cgpm) Versailles-ban, Franciaországban. Semmi szokatlan nincs ott, mivel a találkozó négyévente egyszer összehívja a költségvetést és a metrológiai kérdéseket. De ez a találkozó különleges lesz. A tagállamok arról fognak szavazni, hogy elfogadják-e a nemzetközi egységrendszer (Système International, vagy SI) 1960-as megalakulása óta bekövetkezett legfontosabb változását. Ez egy olyan változás, amely magában foglalja az új meghatározások a kelvin, amper és mole, de talán a legjelentősebb kilogramm.

minden tagállam egy szavazatot ad le egy olyan folyamatban, amelyet élőben közvetítenek az interneten. Ha a változást ratifikálják (és minden jel arra utal, hogy ez lesz), az esemény az egységek objektumokra alapozásának végét jelzi – ez a gyakorlat évezredekre nyúlik vissza. Végül teljesíti azt a kívánságot is, amelyet először James Clerk Maxwell mondott, aki azt jósolta, hogy a mérési szabványokat valamilyen módon meghatározhatják a természet változhatatlan állandói.

Egy szilárd alapot

Ha ülésén a Brit Association for the Advancement of Science, a Liverpool 1870-ben Maxwell mondta küldöttek, hogy “Ha…akkor kívánják megszerezni, szabványok, hosszúság, idő, tömeg, amelyet el kell teljesen állandó, meg kell keresni őket nem a méretek, vagy a mozgás, vagy a tömeg a bolygón, de a hullámhossz, az az időszak, rezgés, az abszolút tömege ezek a múló és megváltoztathatatlan, de tökéletesen hasonló molekulák.”

mivel a bennfentesek nem látják a negatív eredményt a BIPM ülésén ebben a hónapban, nyugodtan feltételezhetjük, hogy az SI reformjára vonatkozó állásfoglalás nem ellentétes, és Maxwell “teljesen állandó” szabványok iránti vágya megvalósul. Az új SI ezután hivatalosan 2019.május 20 – án lép hatályba, pontosan egy tucat (144) évvel az első mérési egységekről szóló nemzetközi szerződés – a méter egyezmény-után, amelyet ugyanazon a napon írtak alá 1875-ben. De miért olyan fontos, hogy az egységek a természet állandóin alapuljanak?

Az egységek legalább az ókori egyiptomiak ideje óta a társadalom alapvető elemei. Az emberi test különböző részeit vagy tárgyait a környezetükben mérlegként használták a dolgok mérésére. Mégis ezek a szabványok vadul eltérő lehet egyik helyről a másikra. A 17. és 18. századi Európában a természetes filozófusok számára az egységváltozások – különösen a hossz és a tömeg tekintetében-szinte lehetetlenné tették ugyanazon fizikai jelenség eredményeinek összehasonlítását, ha azt különböző helyeken mérték.

különböző kísérletek történtek egy univerzális intézkedés létrehozására, és 1799 – ben Franciaország bevezette a metrikus rendszert két egység-a méter és a kilogramm-alapján. Ezt a két platinalemezt a párizsi Archives Nationales-ben tárolták, hogy jogilag és gyakorlatilag meghatározzák az egységeket. Ezek a szabványok 90 évig álltak, amíg az IPM és az IPK nem váltotta fel őket, amelyek fizikailag nehezebbek és jobban megtervezettek voltak.

univerzális gondolkodás

SI egységek összefonódtak a tudományban. Az energiát meghatározó joule-tól a katalitikus aktivitás mérésére szolgáló katalig mind a 29 megnevezett SI-egység meghatározható mindössze hét alapegység kombinációjával: a második, méter, kilogramm, amper, kelvin, mole és candela. De ahogy a tudomány egyre pontosabbá vált a 20.században, egy új probléma felvetette a fejét. Minden olyan egység, amely valamin alapul – egy tárgy, kísérlet vagy jelenség–, amely nem univerzális, instabil lesz.

fontolja meg a második. Történelmileg kapcsolódik a föld forradalmához, amelyet úgy határoznak meg, hogy 24 órát vesz igénybe, ahol egy óra 60 perc, egy perc pedig 60 másodperc. De mi történik, ha a Föld lassabban forog, ahogy azt teszi, bár valaha is kissé? Egy nap hosszabb lesz, ami azt jelenti, hogy egy másodperc valós értelemben is hosszabb lesz. Ez azt jelenti, hogy egy 30 km/h sebességet regisztráló autó valójában egy kicsit lassabban fog utazni, egy 30 W-os izzó kicsit halványabb lesz, és még abszurdabb, hogy az univerzum más ütemben bővül.

Ha azonban egy másodperc fogalmát és időtartamát megtartják, de a Föld forgását eltávolítják a meghatározásból, és valami olyasmivel helyettesítik, amely soha nem változik bárhol és bármikor, amikor az univerzumban mérik, a második stabil lesz. Ez volt 1967-ben, amikor a második volt meghatározása 9,192,631,770 a törökökkel, a sugárzás megfelelő átmenet két időpont között szinten a földi állam a cézium-133 atom, Δν (lásd “az idő rövid története-tartás” Helen Margolis).

később, 1983-ban a métert is újradefiniálták, mivel a fény által vákuumban megtett út hossza 1/299, 792,458 másodperces időintervallum alatt történt. Az a precizitás, amellyel a tudósok azóta képesek voltak mérni az időt és a távolságot, a társadalom javát szolgálta, nem utolsósorban a műholdas helymeghatározó rendszerekhez, nevezetesen a GPS-hez vezetve.

Planck to the rescue

annak ellenére, hogy 143 évig jól szolgálta a társadalmat, a kilogramm meghatározása egyetlen tárgy szempontjából eredendően instabil fogalom. Ennek oka az, hogy ha az IPK könnyebbé vagy nehezebbé válik, még egy apró mennyiséggel is, akkor a világegyetem tömege kilogrammban kifejezve is megváltozik – őrült javaslat. Meglehetősen aggasztóan az IPK megváltozott. Amikor a metrológusok 1988-1991-ben mérték, az IPK tömege átlagosan 50 µg körül volt, mint a hat tanú. Definíció szerint ez azt jelenti, hogy a tanúk valamilyen módon kis mennyiségű tömeget szereztek, talán a légmolekulák elnyelésével. De valószínűbb-tekintettel arra, hogy a kilogramm számos nemzeti példánya is tömegesnek tűnt – az, hogy az IPK elvesztette tömegét. Vagy talán mindannyian szerzett vagy elveszett tömeg, csak különböző sebességgel.

A metrológusok 1991-től 2014-ig nem láttak további sodródást az IPK és a tanúk között, legutóbb a méréseket végezték el. De az a tény, hogy nem volt sodródás, nem jelentette az IPK tömegét, vagy a tanúk nem változtak. Lehet, hogy egyszerűen elvesztették vagy megszerezték a tömeget. Ez a probléma: nem lehet megmondani, mert a tömeget mindig az IPK-val kalibrálják.

“A felülvizsgált SI-vel nem kell aggódnunk ezen a dolgon” – magyarázza Richard Davis, a BIPM tömegosztályának korábbi vezetője, aki most az iroda tanácsadója. Ahelyett, hogy egy fémhenger tömege határozza meg, az új SI-ben a kilogramm a kvantumfizika alapvető állandóján alapul: a Planck állandó.

Max Planck után nevezték el, aki kifejlesztette azt az elképzelést, hogy az energia kis csomagokban érkezik, úgynevezett quanta, a Planck állandó, h, az elektromágneses sugárzás egy kvantumának energiáját a frekvenciájához kapcsolja a híres e = hv képlettel. A Planck-állandó viszont Einstein E = mc2-jével kapcsolódik a tömeghez. Jelenleg a H mért értéke körülbelül 6,62607 × 10-34 m2 kg s–1, de a metrológusok most kőbe akarják rögzíteni az értékét, az ezen érték szerint meghatározott kilogrammal.

ezért búcsút mond az IPK-nak, amely fizikailag instabil objektum, és elbúcsúzik a Planck konstans értékének bizonytalanságától. “Az újradefiniálás után a megingathatatlan Planck állandója egy értékre van rögzítve, míg a bizonytalanság megfelelőbben kerüli az IPK tömegét” – mondja Stephan Schlamminger, az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet metrológusa. “Egy rögzített deszka állandóval a jobb eszközök egyre pontosabban képesek lesznek egy kilogrammot megvalósítani.”

Watt érted

A jobb láb elindításához fontos, hogy a Planck állandó rögzítésének értékét a lehető legpontosabban mérjük. Ez a felelősség két nagyon különböző típusú kísérlet mérésén alapul. Ezek közül az első az úgynevezett Kutyakaját, mérleg, korábbi nevén egy watt mérleg, de most új neve tiszteletére a feltaláló Bryan Kutyakaját, a BRIT National Physical Laboratory, aki meghalt, 2016-ban. Jelenleg csak Franciaország, Kanada és az Egyesült Államok rendelkezik olyan mérlegekkel, amelyek képesek a Planck állandó rögzítéséhez szükséges mérések elvégzésére. Sokan mások azonban saját egyenlegeik építésén dolgoznak. Mint egy Hi-tech mérlegkészlet, a Kibble balance elektromágneses erőket használ, amelyeket egy mágneses mezőbe merített huzal tekercs biztosít a kilogramm tömegének kiegyensúlyozására. A berendezés lehetővé teszi, hogy a mérésvezetők pontos áram-és feszültségértékeket vegyenek fel, amelyekből a Planck-állandó származtatható (lásd az alábbi bekeretezett részt).

The Kibble balance

mi ez? A Kibble (vagy watt) egyensúly egy kör alakú, vízszintes tekercsből áll, hosszú huzalból, L, az egyensúly egyik karjából lógva. A tekercset erős mágneses térbe helyezzük, B, és egy elektromos áram, I, áthalad rajta, amely olyan erőt generál, F = BIL, amely beállítható az egyensúly ugyanazon karjára helyezett tömeg súlyával (mg). A tömeget ezután m = BIL/g adja.

mi a probléma? Bár pontosan meg lehet mérni, nehéz ugyanezt tenni B és L esetében is.

Tehát mi a megoldás? A metrológusok eltávolítják a tömeget, és a tekercset u sebességgel mozgatják a mágneses mezőben, hogy v = BLu feszültséget generáljanak. A készüléket watt-egyensúlynak nevezik, mivel a két egyenlet átrendezésével az elektromos teljesítményt (VI) a mechanikai teljesítmény (MGU) kiegyensúlyozza. Más szóval, m = VI / gu. Mivel u könnyen mérhető, és g (a gravitáció miatti gyorsulás) jól ismert, a B és L mérésével kapcsolatos problémák eltűntek.

de mi a kapcsolat a Planck állandóval, h? Ez az okos rész. Az áramot úgy határozzák meg, hogy azt egy ellenálláson keresztül továbbítják, majd a Josephson-effektus segítségével mérik a keletkező feszültségcsökkenést. Ez a hatás azt a tényt írja le, hogy ha két szupravezetőt egy vékony szigetelő választ el egymástól, az egyes rétegekben lévő elektronpárokat úgy, hogy az F frekvenciájú mikrohullámú sugárzás feszültséget hozzon létre A V = hf/2e rétegen, ahol e az elektron töltése. Az Ellenállás ellenállása azért mérhető, mert a 2D rendszerekben az elektron áramát ultralow hőmérsékleten kvantálják, a vezetőképesség az e2/h többszörösében növekszik.

miért jó ez a metrológia számára? Eddig egy Kibble egyenleg mért h SI egységekben. De amikor a kilogramm meghatározása megváltozik, a H numerikus értéke kőbe lesz rögzítve, lehetővé téve bárki számára, hogy az egyensúlyt a tömeg finom pontossággal mérje.

a h mérésének második módját röntgen kristálysűrűségnek (XRCD) vagy Avogadro kísérletnek nevezik. Ez magában foglalja a szilícium-28 atomok egységes kristályát, amelyet szinte tökéletesen kerek 1 kg-os gömbbe megmunkáltak. Optikai interferometria alkalmazásával a metrológusok először kiszámítják a gömb teljes átmérőjét – tehát térfogatát–. Ezután az optikai interferometria röntgensugaras elemzéssel történő kombinálásával kiszámíthatják az atomok közötti távolságot, az egyes térfogatot, így a gömb összes atomját. Végül a gömb mérésével meghatározhatják az Avogadro állandót. Ez a megközelítés meghatározza, hogy hány atom vagy molekula van egy anyag egy móljában – a tömegtől meglehetősen eltérő mennyiség, amely most meghatározza a mólot. Az Avogadro és a Planck konstansokat összekötő atomfizikai egyenlet ezután lehetővé teszi az utóbbi pontos értékének rögzítését.

a laboratóriumok a világ minden tájáról ezt a két különböző technikát alkalmazták a Planck–állandó rendkívüli pontossággal történő mérésére, hogy végleges,egyeztetett értéket adjanak 6,626 070, 150 × 10-34 kg m2 s-1, csak 10 rész / milliárd relatív bizonytalansággal (2018 Metrológia 55 L13). Ami az Avogadro állandót illeti,6.022,140, 76 × 1023 mol–1-nél lesz rögzítve. A Planck és az Avogadro konstansok rögzítése után a komplex kísérletek, amelyekből származtak, egy kilogramm és egy mól mérésére használhatók szabványként.

gyakorlati hatás

a legegyszerűbb módja annak, hogy pontosan, hogyan fog működni, hogy fontolja meg a Kibble egyensúly. Eddig az áram és a feszültség pontos értékeinek mérésére használták, amelyeket azután az egyenletekbe dugtak, hogy a Planck állandó legyen. A jövőben a Planck-állandó fix érték lesz, és ezek a mérések inkább a mérleg tömegét eredményezik. Más szavakkal, bárki, aki hozzáfér a Kibble egyensúlyhoz, tökéletes kilogrammot tud megvalósítani. Ugyanez az elv vonatkozik az amperre és a kelvinre is, amelyet a jövőben az elektron, az e, valamint a Boltzmann-állandó, a k töltése tekintetében adnak meg. Ezen alapvető állandók pontos mérésére tervezett berendezések most a fejükre kerülnek, hogy pontosan felismerjék az amper és a kelvin egységeket (lásd az alábbi bekeretezett részt). Ami a mérőt, a másodikat és a kandelátust illeti, azok definíciói módosulnak, de gyakorlatilag változatlanok maradnak.

a metrológián kívül az új SI-nek kevés azonnali gyakorlati következménye lesz, és a legtöbb ember észrevétlenül marad. Végül is az egységek másképp definiálhatók, de a cél mindig az, hogy méretük azonos legyen. A kilogramm, a kelvin, az amper és a vakond meghatározása azonban teljesen új módon, a természet állandóin alapul, invariánssá, hozzáférhetővé és praktikussá teszi őket. Ezért a tudósok képesek lesznek mérni őket bárhol vagy időben, bármilyen méretben.

“először mérhetünk apró és hatalmas mennyiségeket ugyanolyan nagy pontossággal, mert az alapvető állandókat nem érdekli a skála” – tette hozzá Schlamminger. Ez fontos. A méter újradefiniálása előtt a hosszúságot csak nagyon pontosan lehetett mérni egy méter körül. De mivel az újradefiniálási, nagy pontosságú alkalmazások, mint a mikroelektronikai eszközök részesültek rendkívül a pontosság, amellyel mérni távolságot, apró pikkelyek.

Hasonlóképpen, az új kilogramm lehetővé teszi egy kilogramm, gramm és milligramm azonos pontossággal történő mérését, még akkor is, ha az atomtömegeket kilogrammban mérik. Mindaddig, amíg kísérleti kapcsolat van a Planck állandóval, a tömeg mérhető lesz. Ezért a metrológusok arra törekszenek, hogy asztali mérlegeket és új eszközöket építsenek, amelyek pontosan nagy és kicsi méretekben mérik a tömeget. Így az új tömegegység és az SI egységek általában már a 21. századra alkalmasak, és sokáig maradnak a jövőben is. Ahogy Schlamminger találóan fejezi be: “Az új SI a szépség és a logika építése.”

• További információ az új SI meghatározások, nézd meg a szabadon olvasható fizika World Discovery ebook újradefiniálja a kilogramm és más SI egységek Stephan Schlamminger at www.physicsworlddiscovery.org