negyven láb föld alatt Gaithersburgban, Maryland, egy fényes fehér laboratóriumban, amelybe három külön kulcs szükséges belépni, az Egyesült Államok kis, fényes fémhengerek értékes gyűjteményét tárolja, amelyek szó szerint meghatározzák az ország minden tömegét.

gyönyörűek, tükörképesek, és ellenállnom kell a késztetésnek, hogy megérintsem őket. Ha megérintem őket, megfertőzhetem őket olajjal a bőrömről, és növelhetem a súlyukat. Patrick Abbott, a National Institutes of Standards and Technology (NIST)” üzembentartója ” szerint ez nagyon rossz lenne.

jelenleg a kilogrammnak nagyon egyszerű meghatározása van: egy darab platina-irídium ötvözet tömege, amelyet 1889 óta a franciaországi Sèvres-ben a Nemzetközi Súly-és Mérésügyi hivatalban tartanak. Ezt hívják nemzetközi prototípusnak (más néven kilogrammnak). Nagy K, vagy Le Grand k), és számos példánya van szerte a világon – köztük hét a GAITHERSBURGI NIST — ben -, amelyeket a mérlegek kalibrálására használnak, és annak biztosítására, hogy az egész világ egy mérési rendszeren legyen.

itt található a NIST egyik példánya, K4 néven, ugyanabból a fémdarabból kovácsolva, amelyből a Big K a 19.században jött létre.

vessen egy pillantást rá. Mert hamarosan ez a 129 éves kilogramm szabvány megváltozik.

pénteken a világ minden tájáról érkező tudósok találkoztak a franciaországi Versailles-ban a súlyokról és intézkedésekről szóló általános konferencián, és megszavazták a kilogramm meghatározásának megváltoztatását, összekapcsolva azt egy univerzális állandóval. A változás 2019.május 20-án lép hatályba.

a változás egyik fontos oka az, hogy a Nagy K nem állandó. Körülbelül 50 mikrogramm (a szempilla tömegéről) Elveszett, mióta létrejött. De frusztrálóan, amikor a nagy K elveszíti a tömegét, még mindig pontosan egy kilogramm, a jelenlegi definíciónként.

amikor a nagy K megváltozik, minden másnak módosítania kell. Vagy még rosszabb: ha nagy K-t ellopnák, világunk tömegmérési rendszerét káoszba dobnák.

a pénteki szavazással a világ vezető méréstudósai úgy döntöttek, hogy a kilogrammot a Planck — állandóra helyezik, amely a kvantummechanika alapvető koncepciója, amely soha, soha nem változhat-itt a földön vagy az univerzum mély szakaszában.

Ez több, mint tudományos győzelem. Ez egy filozófiai is, mint tanultam a NIST tudósok, akik már évek óta dolgoznak a újradefiniálás és hívja ezt a pillanatot a legizgalmasabb idő az egész karrier.

az új definícióval a súlyokról szóló általános konferencia egy intézkedés kiegészíti a metrikus rendszer eredeti álmát , amelyet a francia forradalom közepette öleltek fel. A metrikus rendszert-amely az egységek nemzetközi rendszerévé fejlődött, vagy SI-úgy tervezték, hogy ” mindenkor, minden ember számára.”

” Az objektumok mindig megváltoznak ” – mondja Stephan Schlamminger, az újradefiniálással foglalkozó NIST tudós. Az új meghatározással azt mondja:” egy tárgyból “a Földön” megyünk a mennyben lévő dolgokhoz.”

és ezt érdemes megünnepelni. Egy olyan világban, ahol minden mindig úgy tűnik, hogy fluxusban van, ezek a tudósok most megbizonyosodtak arról, hogy a kilogramm soha nem változik.

a kilogramm rövid története

honnan tudod, mi a súlya? Tudom, van egy nyilvánvaló válasz: egy skálára helyezi.

de amikor egy élelmiszerboltba megy, és megméri egy csomó almát, honnan tudja ez a skála, hogy milyen egy font gyümölcs?

ahhoz, hogy a tömegméréseknek értelme legyen, rögzített összehasonlítási pontra van szükségünk. Ezeknek az almáknak többé-kevésbé súlyozniuk kell, mint valami. Hogy elkerüljük a káoszt, és hogy a gazdaságunk működjön, azt egyetemesen el kell ismerni.

az élelmiszerboltban lévő mérleget olyan tömeggel kalibrálták, amelyet egy tömeggel kalibráltak, stb. És az összes kalibráció itt van, NIST gyomrában. A konzisztens súlyok és intézkedések többet jelentenek, mint az élelmiszerek: Képzeld el, ha a Boeing nem tudta pontosan kitalálni, hogy mi a repülőgép súlya, vagy ha a gyógyszeripar nem tudta meghatározni egy apró, potenciálisan halálos adag gyógyszer pontos tömegét.

az Egyesült Államokban továbbra is császári egységeket használunk: fontokat és unciákat. De valójában minden mérésünk a nemzetközi Egységrendszerből vagy SI-ből származik, amely métereket és kilogrammokat használ a hosszúság és a tömeg alapvető egységeként.

amikor a tömeg az USA-ban, minden nyomok vissza ezeket korong alakú hengerek, amelyek pontosan megmunkált súlya 1 kilogramm. Hivatalosan az Egyesült Államokban az 1 font 0,45359237 kilogramm. A láb meghatározása 0,3048 méter.

de a rendszer nem volt mindig ilyen rendezett. A francia forradalom és a metrikus rendszer feltalálása előtt a súlyok és az intézkedések rendszere a világ minden tájáról kaotikus, rendetlen rendetlenség volt.

“képzelj el egy olyan világot, ahol minden alkalommal, amikor utaztál, különböző konverziókat kellett használnod a mérésekhez, mint mi a pénznemben” – magyarázza Madhvi Ramani a BBC-től. “Ez volt a helyzet a francia forradalom előtt a 18. század végén, ahol a súlyok és intézkedések nemcsak nemzetenként, hanem nemzeteken belül is változtak.”

a francia forradalom a feudális korszakból megmaradt régi, archaikus, kaotikus hierarchiákat akarta megbontani,és a társadalmat egalitárius fejedelemségekkel újrateremteni.

A forradalom ihlette, a tudósok abban az időben új, következetes mérési rendszert akartak kezdeni, amely az egységeket nem a királyok önkényes megbízásaira, hanem a természetre alapozza. A cél az volt, hogy hozzon létre egy mérési rendszert ” minden alkalommal, minden ember számára.”

így, amikor az 1800-as évek végén Franciaországban megalapították a Nemzetközi Súly-és Mérésügyi Irodát, a mérőt — a szabványos hosszegységet — úgy hozták létre, hogy az északi pólustól az Egyenlítőig terjedő távolság tízmilliósa legyen. A gram veszi az inspirációt a víz sűrűségének: Ez nagyjából megegyezik a tömege 1 köbcentiméter víz megrendezésre 4°C.

Hogy terjesszék ezeket az új egységek—, hogy győződjön meg arról, hogy a világon mindenki megértette őket — a feltalálók, a metrikus rendszer úgy döntött, hogy hozzon létre a fizikai tárgyak testesíti majd adjuk meg őket. Ők kialakított egy fém bár, hogy pontosan 1 méter hosszú. Létrehozták a Big K-t, hogy képviselje az 1 kilogramm vagy 1000 gramm tömegét.

a 19. század óta a régi metrikus rendszer összes fizikai emlékét felváltották a természet állandó erőire rögzített mérések. A mérőt eredetileg a Föld méretének arányaként határozták meg. De még a világ alakja sem állandó. Heck, a Föld talán nem is állandó. Tehát ma a mérőt a fénysebesség határozza meg. A második a cézium elem atomjainak mozgására van rögzítve.

egyelőre csak a kilogrammot határozza meg egy fizikai objektum.

Tehát mi a kilogramm új meghatározása? Készülj fel, mert ez egy kicsit furcsa.

a kilogramm újradefiniálásának tudománya a Planck-konstans szempontjából, magyarázta

pénteki szavazás a súlyokról és intézkedésekről szóló általános konferencián, amelyet egyhangúlag fogadtak el. De a változások csak 2019 májusában lépnek hatályba. Amikor a változás jön, itt van, hogyan kell meghatározni a kilogrammot a nemzetközi Egységrendszerben:

a kilogramm, kg szimbólum, az SI tömegegység. Ezt úgy határozzuk meg, hogy a H Planck állandó rögzített numerikus értékét a J s egységben kifejezve 6,626 070 15 × 10-34-nek kell tekinteni , amely egyenlő kg m2 s -1-vel, ahol a mérőt és a másodikat c és ∆vCs-ben határozzák meg.

mi a fene?

Ez sokkal nehezebb megmagyarázni, mint egy darab fém Franciaországban. De próbáljuk meg.

alapvetően a súlyokról és mérésekről szóló általános konferencia rögzíti a Planck-állandó értékét, amely leírja, hogy az anyag legkisebb bitjei hogyan bocsátanak ki energiát diszkrét lépésekben vagy darabokban (úgynevezett quanta).

a pénteki szavazással a Planck-állandó mostantól örökre 6.62607015 × 10-34 m2 kg / s lesz. és a Planck-állandó rögzített értékéből a tudósok egy kilogramm tömegét származtathatják.

Ez az újradefiniálási erőfeszítés évtizedeket vett igénybe, mivel a Planck-állandó apró (tizedesvesszővel kezdődik, majd 33 nullával kezdődik), és egy szuper-apró hibahatárra kellett számítani. A munka gondos méréseket igényelt egy hihetetlenül bonyolult géppel, az úgynevezett Kibble balance-rel (többet az alábbiakban), valamint egy rendkívül kerek Szilícium gömb megfigyeléseivel.

Ez a magyarázat lehet, hogy úgy tűnik, wanky. És az is. De ahhoz, hogy jobban értékeljük, hasznos megnézni, hogy a mérőt — a világ szabványos hosszegységét — a fénysebesség szempontjából újradefiniálták, mint például miért volt erre szükség.

a mérőt eredetileg a nemzetközi súly-és Mérésügyi Hivatal franciaországi bárjának hosszaként határozták meg. (Ezt követően újradefiniálták, hogy egyenlő legyen a sugárzás bizonyos hullámhosszával.) Ezzel a meghatározással ismét a pontatlanság volt a probléma. Nem az univerzum változatlan tulajdonságain alapult.

a fénysebesség viszont változatlan 299,792,458 méter másodpercenként. Nem számít, hol vagy, a tudósok úgy vélik, hogy ugyanaz marad. (Legalábbis, ha ez nem változik, hogy lenne upend legtöbb mindent tudunk fizika.)

1983-ra a fizikusok nagyon jól mérték a fénysebességet. Tehát arra használták, hogy örökre rögzítsék a mérő hosszát, hogy állandóvá tegyék. Itt van, hogyan: újradefiniálták a mérőt, hogy egyenlő legyen a távolság fény utazik vákuumban 1/299, 792, 458 egy másodperc. Lényegében a mérő definíciója most a fénysebesség meghatározásába kerül.

van egy költészet erre: a tudósok a mérőt — az emberek által feltalált önkényes hosszmérést-egy univerzális állandóhoz rögzítették. Rendetlen emberi méréseink túllépték rendetlen emberségüket; örök igazsággal olvadtak össze.

az új, fény által definiált mérő azonos hosszúságú, mint a régi mérő szabvány Párizsban. De ellentétben a régi szabvány Párizsban, most a meghatározása a mérő soha, soha nem változik.

ugyanez történik a Planck állandóval. A fénysebességhez hasonlóan a Planck-állandó egy univerzális igazság, amely soha nem fog megváltozni.

a Planck állandó végső értékének beállításával-amelynek egységei tartalmazzák a kilogrammot, hasonlóan a fénysebesség egységeihez, beleértve a mérőt is — egy kilogramm mérete örökre stabil. Így is gondolhat rá: a kilogrammot a Planck állandóhoz rögzítették, ahol örökre pihenni fog.

(talán ha figyelmesen olvastad, észrevetted, hogy itt van egy kis csirke-tojás probléma. Hogyan kívánja meghatározni a mérőt a fénysebesség szempontjából, ha a fénysebesség mérése a “mérő” egységet is tartalmazza? Ugyanez a helyzet a Planck állandóval: kilogrammokat tartalmaz egységeiben. Rövid válasz: ezért vannak PhD-k az ezeken a problémákon dolgozó embereknek.)

A Kibble balance az A gép, amely mindezt lehetővé teszi

a kilogramm újradefiniálása a Planck szempontjából óriási kihívás volt, amely évtizedekig tartott.

egyrészt a tudósoknak képesnek kellett lenniük a Planck-állandó mérésére rendkívül pontos mértékben. Ha a fénysebesség becslésének nagy hibahatára lenne, akkor nem lenne megbízható horgony egy méter mérésére. Ugyanez vonatkozik a Planck-ra is.

évtizedek óta a NIST tudósai, valamint néhány más laboratórium szerte a világon, a Kibble balance nevű gépet (néha watt-egyensúlynak nevezik) használják a Planck-állandó pontos mérésére, elég óvatos mértékben, hogy felhasználható a kilogramm újradefiniálására.

mint a kilogramm szabványok, a Kibble balance mélyen a föld alatt helyezkedik el a NIST-nél. Egy betonpadlóra épül, amely szó szerint lebeghet az épület alapja felett, hogy jobban elkülönítse érzékeny berendezéseit a létesítmény többi részétől származó rezgésektől. Műanyag hálót kell hordanom a hajamra és a cipőmre, hogy megnézhessem, mert bármilyen törmelék kidobhatja a kalibrálásból.

Ha a viktoriánusok építettek volna egy időgépet és leparkolták volna egy sörfőzdében, azt hinném, hogy így nézne ki.

a Kibble balance kissé úgy működik, mint egy egyszerű tömegmérleg. Képzeld el, hogy az egyetlen hölgy igazságosság a kezében van: két serpenyője van, amelyek egy központi ponton egyensúlyoznak. Egy egyszerű egyensúly összehasonlítja a két súlyt az egyes serpenyőkön, azzal a céllal, hogy egyenlővé tegye őket.

a Kible balance — a néhai feltalálójáról, Bryan Kibble Brit fizikusról elnevezett-valami hasonlót csinál, de kvantummechanikai csavarral. Az objektum tömege által kifejtett mechanikai energiát egyenértékű mennyiségű elektromos energiával egyenlíti ki.

a képlet a Kibble balance hozamok egyenlővé tömeg és elektromos teljesítmény bonyolult. (A NIST tudósai az alábbi táblára hoztak, hogy megmagyarázzam.)

ami fontos, hogy ebben az egyenletben — az összes változó között, amelyek magukban foglalják a tömeget, a sebességet, a gravitációs húzást, a mágnesességet és az elektromosságot — a Planck-állandó. Ezzel a géppel a tudósok képesek voltak megoldani a Planck-t. A matematika azért működik, mert ahogy Albert Einstein a leghíresebb E=mc2 egyenletével tanított minket, a tömeg és az energia lényegében ugyanannak a dolognak a különböző kifejezései.

most lehet, hogy gondolkodik: Mit csinál a Kibble egyensúly most, hogy meghatározta a Planck állandót?

nos, helyettesíti a nagy K szükségességét Franciaországban, mert most ismeri a kilogramm tömegét a Planck állandó szempontjából. Ez pedig egy pontos mérés, egy olyan módszer, amellyel egy kilogramm továbbra is egy kilogramm, amely felhasználható tárgyak mérésére, tömegük meghatározására az új szabvány szerint.

“jelenleg az stabilitására vonatkozó minőségbiztosításunk megállapodáson alapul” – mondja Abbott. “Azt mondjuk, hogy nem fog változni. A minőségbiztosítás a Kibble egyensúly, hogy ez alapján egy állandó természet, hogy már mért, szigorúan, az egész világ. és tudjuk, hogy nem változik. Ez a különbség a világon.”

a súlyok és intézkedések demokratizálása folyamatban van

még mindig velem van?

ha mindent elkalandoztál, itt van, mire vezet ez a változás: már nem lesz szükségünk kormányra — az Egyesült Államokra, Franciaországra, akárkire — vagy egy nemzetközi irányító testületre, hogy elmondja nekünk, mi a kilogramm. Ez lesz az univerzum alapvető igazsága, bárki számára elérhető, aki megfelelő felszereléssel rendelkezik annak megvalósításához.

elméletben bárki felépíthet egy Kibble egyensúlyt. (Azt mondják, vannak miniatürizált is az úton.”Meg tudják építeni ezt a kísérletet, és meg tudják mérni a kívánt tömeget, bármilyen anyagot, csak egyensúlyba hozzák, és a tömeg értékét, abszolút, a Planck konstans szempontjából” – mondja Darine El Haddad, aki a NIST-ben a Kibble balance kísérletet vezeti. A Kibble egyensúly lehetővé teszi az “abszolút mérést” – mondja.

a jövőben a feldolgozóiparnak nem kell elküldenie súlyait és mérlegeit a NIST-nek kalibráláshoz. Lehet, hogy egy Kibl egyensúly a gyári padlón. Ennek fényében az új meghatározás demokratikusabb — olyan, amelyet szabadon lehet használni az egész világon, és nem lehet bezárva tartani egy franciaországi ügyben.

van néhány nagy hátránya, hogy a változás, azonban. “Az emberek nem is értik a metrikus rendszert” – mondja Abbott. “Hogyan magyarázod meg a kibírhatatlan egyensúlyt?”A meghatározás összetettsége kikapcsolhatja azokat az embereket, akik meg akarják tanulni a tudományt. Egy általános iskolás gyerek megértheti, hogy egy darab fém súlya kilogramm, de a kvantummechanika?

Schlamminger azt állítja, hogy bár az új definíció technikailag bonyolultabb, ” filozófiailag egyszerűbb.”A kilogrammot hamarosan az univerzum alapvető fizikája határozza meg, nem pedig valamilyen emberi machináció.

Schlamminger a metrikus rendszer alapító szavaival rendelkezik, “mindenkor, minden ember számára”, tetoválva a karjára, a Planck-állandó számjegyei mellett. Ilyen erősen hisz az ideálban. Úgy látja, hogy ez a munka “befejezi a francia forradalommal kezdődött ívet.”És kész: a pénteki szavazással a kilogramm most örökre, minden idők és minden ember számára.