Quaranta piedi sottoterra a Gaithersburg, nel Maryland, in un laboratorio bianco brillante che richiede tre chiavi separate per entrare, gli Stati Uniti immagazzinano una preziosa collezione di piccoli cilindri di metallo lucido che definiscono letteralmente la massa di tutto in questo paese.

Sono bellissimi, con finiture a specchio, e devo resistere alla voglia di toccarli. Se li toccassi, potrei contaminarli con olio dalla mia pelle e potenzialmente aumentare il loro peso. Patrick Abbott, il” custode del chilogrammo ” qui al National Institutes of Standards and Technology (NIST), mi dice che questo sarebbe molto male.

Attualmente, il chilogrammo ha una definizione molto semplice: è la massa di un pezzo di lega di platino-iridio che è stato ospitato presso l’International Bureau of Weights and Measures a Sèvres, in Francia dal 1889. Si chiama International Prototype Kilogram (alias International Prototype Kilogram). Big K, o Le Grand K), e ha molte copie in tutto il mondo — tra cui sette al NIST di Gaithersburg — che vengono utilizzate per calibrare le scale e assicurarsi che il mondo intero sia su un unico sistema di misurazione.

Ecco una delle copie al NIST, chiamato K4, forgiato dallo stesso pezzo di metallo da cui Big K è stato creato nel 19 ° secolo.

Dai un’occhiata. Perché molto presto, questo standard di 129 anni per il chilogrammo cambierà.

Venerdì, gli scienziati di tutto il mondo si sono incontrati alla Conferenza generale sui pesi e le misure a Versailles, in Francia, e hanno votato per cambiare la definizione di un chilogrammo, legandolo a una costante universale in natura. La modifica entrerà in vigore il 20 maggio 2019.

Una ragione importante per il cambiamento è che Big K non è costante. Ha perso circa 50 microgrammi (circa la massa di un ciglio) da quando è stato creato. Ma, frustrante, quando Big K perde massa, è ancora esattamente un chilogrammo, secondo la definizione attuale.

Quando Big K cambia, tutto il resto deve adattarsi. O ancora peggio: se Big K venisse rubato, il sistema di misurazione della massa del nostro mondo sarebbe gettato nel caos.

Con il voto di venerdì, i migliori scienziati di misurazione del mondo hanno scelto di apporre il chilogrammo alla costante di Planck, un concetto fondamentale nella meccanica quantistica che non può mai e poi mai cambiare — qui sulla Terra o nelle profondità dell’universo.

Questa è più di una vittoria scientifica. È anche filosofico, come ho imparato dagli scienziati del NIST che hanno lavorato per anni sulla ridefinizione e chiamano questo momento il momento più eccitante della loro intera carriera.

Con la nuova definizione , la Conferenza Generale sui Pesi e le Misure completa il sogno originale del sistema metrico, che è stato abbracciato in mezzo alla Rivoluzione francese. Il sistema metrico-che si è evoluto nel Sistema internazionale di unità, o SI-è stato progettato per essere ” per tutti i tempi, per tutte le persone.”

” Gli oggetti cambiano sempre”, afferma Stephan Schlamminger, uno scienziato del NIST coinvolto nella ridefinizione. Con la nuova definizione, dice, ” passiamo da un oggetto” sulla Terra “alla roba che è nei cieli.”

E questo è qualcosa che vale la pena celebrare. In un mondo in cui tutto sembra sempre essere in movimento, questi scienziati hanno ora fatto in modo che il chilogrammo non cambierà mai.

Una breve storia del chilogrammo

Come fai a sapere cosa pesa qualcosa? Lo so, c’è una risposta ovvia: la metti su una scala.

Ma quando vai in un negozio di alimentari e pesi un fascio di mele, come fa quella scala a sapere come si sente un chilo di frutta?

Affinché le misurazioni di massa abbiano senso, abbiamo bisogno di un punto fisso di confronto. Quelle mele devono pesare più o meno di qualcosa. Per evitare il caos e permettere alla nostra economia di funzionare, quel qualcosa deve essere universalmente riconosciuto.

La bilancia del tuo negozio di alimentari è stata calibrata con un peso calibrato con un peso calibrato con un peso e così via. E tutte quelle calibrazioni risalgono proprio qui, nelle viscere del NIST. Pesi e misure coerenti contano per più di generi alimentari: immagina se Boeing non riuscisse a capire esattamente cosa pesa un aereo, o se l’industria farmaceutica non riuscisse a determinare la massa esatta di una piccola dose di medicina potenzialmente letale.

Negli Stati Uniti, usiamo ancora le unità imperiali: sterline e once. Ma in realtà, tutte le nostre misure derivano dal Sistema internazionale di unità, o SI, che utilizza metri e chilogrammi come unità fondamentali di lunghezza e massa.

Quando si tratta di massa negli Stati Uniti, tutto risale a questi cilindri a forma di disco, che sono lavorati con precisione per pesare 1 chilogrammo. Ufficialmente, negli Stati Uniti, 1 sterlina è definita come 0,45359237 chilogrammi. Un piede è definito come 0,3048 metri.

Ma il sistema non era sempre così ordinato. Prima della rivoluzione francese e dell’invenzione del sistema metrico, i sistemi di pesi e misure in tutto il mondo erano un caos caotico e indisciplinato.

“Immagina un mondo in cui ogni volta che viaggi dovevi usare conversioni diverse per le misurazioni, come facciamo noi per la valuta”, spiega Madhvi Ramani della BBC. “Questo era il caso prima della Rivoluzione francese alla fine del 18 ° secolo, dove pesi e misure variavano non solo da nazione a nazione, ma anche all’interno delle nazioni.”

La rivoluzione francese stava per rovesciare vecchie gerarchie arcaiche e caotiche lasciate dall’era feudale e rifare la società con principi egualitari in mente.

Ispirati dalla rivoluzione, gli scienziati dell’epoca volevano ricominciare da capo su un nuovo sistema di misurazione coerente, basando le unità non su mandati arbitrari dei re, ma sulla natura. L’obiettivo era quello di creare un sistema di misurazione “per tutti i tempi, per tutte le persone.”

Così, quando l’International Bureau of Weights and Measures fu fondato in Francia alla fine del 1800, il metro — l’unità standard di lunghezza — fu creato per essere un dieci milionesimo della distanza dal Polo Nord all’equatore. Il grammo prende ispirazione dalla densità dell’acqua: è approssimativamente uguale alla massa di 1 centimetro cubo di acqua tenuta a 4°C.

Per diffondere queste nuove unità — per fare in modo che tutti nel mondo le comprendessero — gli inventori del sistema metrico decisero di creare oggetti fisici per incarnarli e definirli. Hanno realizzato una barra di metallo per essere esattamente 1 metro di lunghezza. Hanno creato Big K per rappresentare la massa di 1 chilogrammo, o 1.000 grammi.

Dal 19 ° secolo, tutte le reliquie fisiche del vecchio sistema metrico sono state sostituite da misurazioni apposte a forze costanti della natura. Il misuratore è stato originariamente definito come una proporzione delle dimensioni della Terra. Ma anche la forma del mondo non è permanente. Diamine, la Terra potrebbe anche non essere permanente. Quindi oggi, il misuratore è definito dalla velocità della luce. Il secondo è apposto al movimento degli atomi dell’elemento cesio.

Solo il chilogrammo è ancora definito da un oggetto fisico, per ora.

Allora, qual è questa nuova definizione del chilogrammo? Preparatevi, perché è un po ‘ un doozy.

La scienza di ridefinire il chilogrammo in termini di costante di Planck, ha spiegato

Il voto di venerdì alla Conferenza generale sui pesi e le misure è passato all’unanimità. Ma le modifiche non avranno effetto fino a maggio 2019. Quando arriva il cambiamento, ecco come verrà definito il chilogrammo nel Sistema internazionale di Unità:

Il chilogrammo, simbolo kg, è l’unità di massa SI. È definito prendendo il valore numerico fisso della costante di Planck h per essere 6.626 070 15 × 10-34 quando espresso nell’unità J s, che è uguale a kg m2 s -1 , dove il metro e il secondo sono definiti in termini di c e ∆vCs.

Che diamine?

È molto più difficile da spiegare di un pezzo di metallo in Francia. Ma proviamo.

Fondamentalmente, la Conferenza generale su Pesi e misure fisserà il valore della costante di Planck, che descrive come i più piccoli bit di materia rilasciano energia in passi o blocchi discreti (chiamati quanti).

Con il voto di venerdì, la costante di Planck sarà ora e per sempre impostata come 6,62607015 × 10-34 m2 kg / s. E da questo valore fisso della costante di Planck, gli scienziati possono ricavare la massa di un chilogrammo.

Questo sforzo di ridefinizione ha richiesto decenni perché la costante di Planck è minuscola (inizia con un punto decimale ed è seguita da 33 zeri) e doveva essere calcolata fino a un margine di errore super-piccolo. Il lavoro ha richiesto misurazioni accurate con una macchina incredibilmente complicata chiamata equilibrio crocchette (più su quello sotto), così come le osservazioni di una sfera estremamente rotonda di silicio.

Quella spiegazione potrebbe sembrare traballante. E lo e’. Ma per apprezzarlo meglio, è utile guardare come il misuratore — l’unità di lunghezza standard del mondo — è stato ridefinito in termini di velocità della luce come esempio del perché ciò fosse necessario.

Il misuratore è stato originariamente definito come la lunghezza di una barra presso l’International Bureau of Weights and Measures in Francia. (È stato quindi ridefinito per essere uguale a una certa lunghezza d’onda di radiazione.) Ancora una volta, il problema con questa definizione era la sua imprecisione. Non era basato sulle proprietà immutabili dell’universo.

La velocità della luce, d’altra parte, è un immutabile 299,792,458 metri al secondo. Non importa dove ti trovi, gli scienziati credono, rimane lo stesso. (Almeno, se cambia, ciò sconvolgerebbe la maggior parte di tutto ciò che sappiamo sulla fisica.)

Nel 1983, i fisici erano diventati davvero bravi a misurare la velocità della luce. Così l’hanno usato per fissare la lunghezza del misuratore per sempre, per renderlo permanente. Ecco come: Hanno ridefinito il misuratore per essere uguale alla distanza che la luce viaggia nel vuoto in 1/299,792,458 di secondo. Essenzialmente, la definizione del contatore è ora cotta nella definizione della velocità della luce.

C’è una poesia in questo: gli scienziati hanno preso il metro — una misura di lunghezza arbitraria inventata dagli umani — e l’hanno apposta su una costante universale. Le nostre disordinate misure umane hanno trasceso la loro disordinata umanità; sono state fondate con una verità eterna.

Il nuovo misuratore definito dalla luce ha la stessa lunghezza del vecchio metro standard di Parigi. Ma a differenza del vecchio standard di Parigi, ora la definizione del contatore non può mai e poi mai cambiare.

La stessa cosa sta accadendo con la costante di Planck. Come la velocità della luce, la costante di Planck è una verità universale che non cambierà mai.

Impostando un valore finale della costante di Planck — le cui unità includono il chilogrammo, proprio come le unità della velocità della luce includono il metro — la dimensione di un chilogrammo è per sempre stabile. Puoi anche pensarlo in questo modo: il chilogrammo è stato ancorato alla costante di Planck, dove riposerà, per sempre.

(Forse se hai letto da vicino, hai notato che c’è un po ‘ di un problema di pollo e uova qui. Come si fa a cercare di definire un metro in termini di velocità della luce se le vostre misure della velocità della luce contengono anche l’unità “metro”? È la stessa cosa per la costante di Planck: contiene chilogrammi nelle sue unità. Risposta breve: Questo è il motivo per cui le persone che lavorano su questi problemi hanno dottorati di ricerca.)

La bilancia crocchette è la macchina che rende tutto questo possibile

Ridefinire il chilogrammo in termini di Planck è stata una sfida immensa, che ha richiesto decenni per essere completata.

Per uno, gli scienziati dovevano essere in grado di misurare la costante di Planck ad un grado estremamente preciso. Se la nostra stima della velocità della luce avesse un ampio margine di errore, non sarebbe un ancoraggio affidabile per misurare un metro. Lo stesso vale per il Planck.

Per decenni, gli scienziati del NIST, così come alcuni altri laboratori in tutto il mondo, hanno utilizzato una macchina chiamata equilibrio crocchette (a volte indicato come l’equilibrio watt) per misurare con precisione la costante di Planck ad un grado abbastanza attento che può essere utilizzato per ridefinire il chilogrammo.

Come gli standard del chilogrammo, il bilanciamento delle crocchette è alloggiato in profondità nel NIST. È costruito su un pavimento di cemento che può letteralmente galleggiare sopra le fondamenta dell’edificio per isolare meglio le sue apparecchiature sensibili da eventuali vibrazioni del resto della struttura. Devo indossare una rete di plastica sopra i capelli e le scarpe per andare a vederlo perché qualsiasi pezzo di detriti potrebbe buttarlo fuori dalla calibrazione.

Se i Vittoriani avessero costruito una macchina del tempo e l’avessero parcheggiata in un birrificio, immaginerei che sarebbe simile a questo.

Il bilanciamento delle crocchette funziona in qualche modo come un semplice bilanciamento di massa. Immaginate quello che Lady Justice tiene in mano: ha due pentole che si bilanciano in un punto centrale. Un semplice equilibrio confronta due pesi su ciascuna delle padelle, con l’obiettivo di equipararli.

La bilancia crocchette — dal nome del suo defunto inventore, il fisico britannico Bryan Kibble — fa qualcosa di simile, ma con una torsione meccanica quantistica. Equivale all’energia meccanica esercitata dalla massa di un oggetto con una quantità equivalente di energia elettrica.

La formula che l’equilibrio delle crocchette produce per equiparare massa e potenza elettrica è complicata. (Gli scienziati del NIST mi hanno portato alla lavagna mostrata sotto per spiegare.)

Ciò che è importante è che in quell’equazione — tra tutte le variabili in gioco, che includono massa, velocità, attrazione gravitazionale, magnetismo ed elettricità — si trova la costante di Planck. E usando questa macchina, gli scienziati sono stati in grado di risolvere per Planck. La matematica funziona perché, come ci ha insegnato Albert Einstein con la sua più famosa equazione E=mc2 , massa ed energia sono essenzialmente espressioni diverse della stessa cosa.

Ora si potrebbe pensare: Cosa fa il bilanciamento delle crocchette ora che è definito la costante di Planck?

Bene, sostituisce la necessità di Big K in Francia perché ora conosce la massa di un chilogrammo in termini di costante di Planck. E questa sarà una misura precisa, un modo per continuare a garantire che un chilogrammo sia ancora un chilogrammo, che possa essere usato per pesare oggetti e determinare la loro massa secondo il nuovo standard.

“In questo momento la nostra garanzia di qualità sulla stabilità di si basa su un accordo”, afferma Abbott. “Diciamo che non cambierà. La nostra garanzia di qualità sulla bilancia crocchette è che si basa su una costante della natura che è stata misurata, rigorosamente, da tutto il mondo. e sappiamo che non cambia. E ‘ tutta la differenza del mondo.”

La democratizzazione di pesi e misure è in corso

Ancora con me?

Se hai sorvolato tutto, ecco a cosa si riduce tutto questo cambiamento: non avremo più bisogno di un governo — gli Stati Uniti, la Francia, chiunque — o di un organo di governo internazionale per dirci cos’è un chilogrammo. Sarà una verità fondamentale dell’universo, disponibile a chiunque abbia l’attrezzatura adeguata per realizzarla.

In teoria, chiunque può costruire un equilibrio crocchette. (Mi è stato detto che ci sono quelli miniaturizzati sulla strada.)” Possono costruire questo esperimento, e possono misurare qualsiasi massa che vogliono, qualsiasi materiale, basta metterlo in equilibrio e si ottiene il valore della massa, assoluto, in termini di costante di Planck”, dice Darine El Haddad, che gestisce l’esperimento di equilibrio delle crocchette al NIST. La bilancia crocchette consente una “misura assoluta”, dice.

In futuro, l’industria manifatturiera non avrà bisogno di inviare i propri pesi e bilance al NIST per la calibrazione. Potrebbero avere un equilibrio crocchette sul loro piano di fabbrica. In questa luce, la nuova definizione è più democratica — una che è libera di essere utilizzata in tutto il mondo e non tenuta rinchiusa in un caso in Francia.

Ci sono alcuni grossi inconvenienti al cambiamento, tuttavia. ” Le persone non capiscono nemmeno il sistema metrico”, dice Abbott. “Come hai intenzione di spiegare un equilibrio crocchette?”La complessità della definizione può essere una svolta per le persone che vogliono conoscere la scienza. Un bambino della scuola elementare può capire che un pezzo di metallo pesa un chilogrammo, ma la meccanica quantistica?

Schlamminger sostiene che mentre la nuova definizione è più tecnicamente complicata, ” filosoficamente, è più semplice.”Il chilogrammo sarà presto definito dalla fisica fondamentale dell’universo, non da una macchinazione umana.

Schlamminger ha le parole fondanti del sistema metrico, “per tutti i tempi, per tutte le persone”, tatuate sul braccio, accanto alle cifre della costante di Planck. È così che crede fortemente nell’ideale. Vede questo lavoro come ” finire l’arco iniziato con la Rivoluzione francese.”Ed è completo: con il voto di venerdì, il chilogrammo è ora per sempre, per tutti i tempi e per tutte le persone.