i udkanten af Paris, otte meter under jorden i en klimakontrolleret hvælving, sidder en 143 år gammel platinlegeringscylinder. Stående kun 39 mm høj, det er aldrig blevet rørt af menneskelige hænder. Som en delikat russisk dukke, cylinderen er buret inde i tre indlejrede glasklokker i et rum, der kun kan fås adgang til med tre nøgler, der opbevares af tre forskellige mennesker. Omkring det mystiske objekt er “vidnerne”: seks” identiske ” cylindre støbt af samme platinlegering.selvom bevaringsindsatsen konkurrerer med Torino-hylsteret, er cylinderen ikke et hellig religiøst objekt. Det er den internationale Prototype Kilogram (IPK), det eneste sande kilogram, som alle andre måles mod. Til huse i Pavillon de Breteuil – hjemsted for International Bureau of vægt og mål (BIPM) – IPK vil snart miste sin unikke status og blive et levn fra en svunden tid. Det vil derefter være lige så malerisk som International Prototype meter (IPM) – en platinlegeringsstang, der også er anbragt ved BIPM – der fungerede som verdens officielle meter indtil 1960.

den 16.November 2018 samles metrologer og politiske beslutningstagere fra 60 lande rundt om i verden på generalkonferencen om vægte og mål (CGPM) i Versailles, Frankrig. Intet usædvanligt der, da mødet indkalder en gang hvert fjerde år for at diskutere budgetter og spørgsmål inden for metrologi. Men dette møde vil være specielt. Medlemsstaterne vil stemme om, hvorvidt de vil vedtage den mest gennemgribende ændring af det internationale enhedssystem (Systristme International eller SI) siden starten i 1960. Det er en ændring, der vil omfatte nye definitioner af kelvin, ampere og muldvarp, men måske mest markant kilogrammet.

hver medlemsstat afgiver en stemme i en proces, der streames live online. Hvis ændringen ratificeres (og alle tegn er, at det vil være), markerer begivenheden slutningen på at basere enheder på objekter – en praksis, der går tilbage årtusinder. Det vil også endelig opfylde et ønske, der først blev udtrykt af James Clerk, der forudsagde, at målestandarder på en eller anden måde kunne defineres af uforanderlige konstanter af naturen.

et solidt fundament

taler på et møde i British Association for the Advancement of Science i Liverpool i 1870, fortalte han delegerede, at “hvis…vi ønsker at opnå standarder for længde, tid og masse, som skal være absolut permanent, må vi søge dem ikke i dimensioner eller bevægelse eller massen af vores planet, men i bølgelængden, vibrationsperioden og den absolutte masse af disse uigennemtrængelige og uforanderlige og perfekt lignende molekyler.”

med insidere, der ikke ser noget antydning af et negativt resultat på BIPM-mødet i denne måned, er det sikkert at antage, at beslutningen om at reformere SI vil passere ubestridt, og Maksels ønske om” absolut permanente ” standarder vil blive realiseret. Den nye SI træder derefter officielt i kraft den 20. maj 2019, netop et dusin dusin (144) år efter den første internationale traktat om måleenheder – Målekonventionen – som blev underskrevet samme dag i 1875. Men hvorfor er det så vigtigt, at enheder er baseret på naturens konstanter?

enheder har været en hæfteklamme i samfundet siden i det mindste tiden for de gamle egyptere. De brugte forskellige dele af den menneskelige krop eller genstande i deres miljø som skalaer til måling af ting. Alligevel kan disse standarder være meget forskellige fra sted til sted. For naturfilosoffer i Europa fra det 17.og 18. århundrede gjorde enhedsvariabilitet – især i længde og masse-det næsten umuligt at sammenligne resultater for det samme fysiske fænomen, hvis det var blevet målt forskellige steder.

der blev gjort forskellige forsøg på at skabe en universel foranstaltning, og i 1799 introducerede Frankrig det metriske system baseret på to enheder – måleren og kilogrammet. Kendt som måleren af arkiverne og kilogrammet af arkiverne, disse to platingenstande blev opbevaret på Archives Nationales i Paris for lovligt og praktisk at definere enhederne. Disse standarder stod i 90 år, indtil de blev erstattet af IPM og IPK, som var fysisk hårdere og bedre designet.

universel tænkning

SI-enheder er blevet sammenflettet i videnskaben. Fra den energidefinerende joule til katal til måling af katalytisk aktivitet, alle 29 navngivne SI-enheder kan defineres ved en kombination af kun syv basisenheder: den anden, meter, kilogram, ampere, kelvin, muldvarp og candela. Men da videnskaben blev stadig mere præcis i det 20.århundrede, et nyt problem rejste hovedet. Enhver enhed baseret på noget – et objekt, eksperiment eller fænomen-der ikke er universelt, vil være ustabil.

overvej det andet. Det er historisk knyttet til Jordens revolution, som defineres som at tage 24 timer, hvor en time er 60 minutter, og et minut er 60 sekunder. Men hvad sker der, hvis jorden begynder at rotere langsommere, som den gør, omend nogensinde så lidt? En dag vil være længere, hvilket betyder, at et sekund også vil være længere i reelle termer. Det betyder, at en bil, der registrerer 30 km / t, faktisk vil køre lidt langsommere, en 30 V pære vil være lidt svagere, og endnu mere absurd vil universet ekspandere med en anden hastighed.

Hvis begrebet og varigheden af et sekund holdes, men Jordens rotation fjernes fra definitionen og erstattes med noget, der aldrig ændrer sig, hvor og når det måles i universet, bliver det andet stabilt. Dette blev gjort i 1967, da det andet blev omdefineret til 9.192.631.770 gange strålingsperioden svarende til overgangen mellem de to hyperfine niveauer af jordtilstanden for cæsium-133-atomet, Karrus (se “en kort historie om tidsopbevaring” af Helen Margolis).

senere, i 1983, blev måleren også omdefineret, da længden af stien,der blev rejst af lys i vakuum i et tidsinterval på 1/299,792, 458 sekunder. Den udsøgte præcision, som forskere siden har været i stand til at måle tid og afstand, har været til gavn for samfundet, ikke mindst ved at føre til satellitbaserede positioneringssystemer, især GPS.

Planck to the rescue

På trods af at have tjent samfundet godt i 143 år, er det at definere kilogrammet i form af et enkelt objekt en iboende ustabil forestilling. Det skyldes, at hvis IPK bliver lettere eller tungere, selv med en lille mængde, ændres universets masse udtrykt i Kilo også – et vanvittigt forslag. Snarere bekymrende, IPK har ændret sig. Da metrologer målte det i 1988-1991, havde IPK i gennemsnit en masse på omkring 50 kg mindre end de seks vidner. Per definition betyder det, at vidnerne havde fået en lille mængde masse på en eller anden måde, måske ved at absorbere luftmolekyler. Men mere sandsynligt-i betragtning af at mange nationale kopier af kilogrammet også syntes at vinde masse – er, at IPK havde mistet masse. Eller måske havde de alle vundet eller tabt masse, bare i forskellige hastigheder.

metrologer så ingen yderligere drift mellem IPK og vidnerne fra 1991 til 2014, sidste gang målinger blev foretaget. Men det faktum, at der ikke var nogen drift, betød ikke IPK ‘ s masse, eller vidnerne var ikke ændret. De kan simpelthen have tabt eller fået masse i tandem. Og det er problemet: der er ingen måde at fortælle, fordi massen altid kalibreres mod IPK.

“med den reviderede SI behøver vi ikke bekymre os om disse ting,” forklarer Richard Davis, en tidligere leder af BIPMS massedivision, som nu er konsulent for bureauet. I stedet for at blive defineret af massen af en cylinder af metal, vil kilogrammet i den nye SI være baseret på en grundlæggende konstant af kvantefysik: Planck konstant.Planck, der udviklede ideen om, at energi kommer i små pakker kaldet kvanta, Planck-konstanten, h, relaterer energien fra et kvantum elektromagnetisk stråling til dens frekvens ved hjælp af den berømte Formel E = hv. Planck-konstanten er igen knyttet til masse via Einsteins E = mc2. I øjeblikket har h en målt værdi på cirka 6.62607 liter 10-34 m2 kg s–1, men metrologer ønsker nu at fastsætte dens værdi i sten, med kilogrammet defineret i form af denne værdi.

det vil derfor være farvel til IPK, som er et fysisk ustabilt objekt, og farvel til usikkerhed i værdien af Plancks konstant. “Efter omdefineringen er den urokkelige Plancks konstant fastgjort til en værdi, mens usikkerheden er mere passende shunted til IPK’ s masse,” siger Stephan Schlamminger, en metrolog fra National Institute of Standards and Technology, USA. “Og med en fast Plankekonstant vil bedre enheder være i stand til at realisere et kilogram mere og mere præcist.”

mener du

for at starte på højre fod er det vigtigt, at den værdi, som Plancks konstant er fast, måles så præcist som muligt. Dette ansvar hviler på målinger fra to meget forskellige typer eksperimenter. Den første af disse kaldes en Kibble balance, tidligere kaldet en vandbalance, men nu omdøbt til ære for opfinderen Bryan Kibble fra Storbritanniens National Physical Laboratory, der døde i 2016. I øjeblikket er det kun Frankrig, Canada og USA, der har Kibble-saldi, der er i stand til at foretage de målinger, der er nødvendige for at rette Planck-konstanten. Imidlertid, mange andre arbejder på at opbygge deres egne saldi. Som et højteknologisk sæt skalaer bruger Kibble-balancen elektromagnetiske kræfter leveret af en trådspole nedsænket i et magnetfelt for at afbalancere en kilogram-masse. Udstyret lader metrologer tage nøjagtige værdier af strøm og spænding, hvorfra Planck-konstanten kan udledes (Se boks nedenfor).

Kibble balance

hvad er det? Kibble-balancen består af en cirkulær, vandret spole af tråd af længde, L, hængt fra den ene arm af en balance. Spolen placeres i et stærkt magnetfelt, B, og en elektrisk strøm, i, ledes gennem den og genererer en kraft, F = BIL, der kan justeres til at svare til vægten af en masse placeret på den samme arm af balancen (mg). Massen gives derefter af m = BIL / g.

Hvad er problemet? Selvom jeg kan måles nøjagtigt, er det svært at gøre det samme for B og L.

så hvad er løsningen? Metrologer fjerner massen og flytter spolen med hastighed u i magnetfeltet for at generere en spænding V = BLu. Enheden kaldes en vandbalance, fordi elektrisk kraft (VI) ved at omarrangere de to ligninger afbalanceres af mekanisk effekt (mgu). Med andre ord, m = VI / gu. Da u er let at måle og g (accelerationen på grund af tyngdekraften) er velkendt, er problemerne med måling B og L forsvundet.

men hvad er forbindelsen med Planck-konstanten, h? Det er den kloge bit. Strømmen bestemmes ved at føre den gennem en modstand og bruge Josephson-effekten til at måle det resulterende spændingsfald. Denne effekt beskriver det faktum, at hvis to superledere adskilles af en tynd isolator, par af elektroner i hvert lag par, så mikrobølgestråling af frekvens, f, skaber en spænding over laget af V = hf/2e, hvor e er ladningen på elektronen. Modstanden af modstanden kan måles, fordi elektronstrømmen i 2D-systemer ved ultralave temperaturer kvantiseres, med ledningsevnen stigende i multipla af e2/h.

så hvorfor er det godt for metrologi? Indtil nu har en Kibble balance målt h i SI-enheder. Men når definitionen af kilogrammet ændres, fastgøres den numeriske værdi af h i sten, så enhver kan bruge balancen til at måle masse med udsøgt præcision.

den anden måde at måle H på kaldes Røntgenkrystaldensitet (RCD) eller Avogadro-eksperimentet. Det involverer en ensartet krystal af silicium-28 atomer, der er blevet bearbejdet til næsten en perfekt rund 1 kg kugle. Ved hjælp af optisk interferometri beregner metrologer først den samlede diameter – og dermed volumenet – af kuglen. Derefter kan de ved at kombinere optisk interferometri med røntgenanalyse beregne afstanden mellem atomer, volumenet hver optager og dermed det samlede antal atomer i kuglen. Endelig kan de ved at veje kuglen bestemme Avogadro-konstanten. Denne tilgang definerer, hvor mange atomer eller molekyler der er i en mol af et stof – en mængde, der er helt anderledes end masse, som nu vil definere selve molen. En ligning fra atomfysik, der forbinder Avogadro-og Planck-konstanterne, tillader derefter, at en præcis værdi af sidstnævnte fanges.

laboratorier over hele verden har brugt disse to forskellige teknikker til at måle Planck–konstanten med ekstraordinær præcision for at give en endelig, aftalt værdi på 6.626.070.150 til 10-34 kg m2 s-1,med en relativ usikkerhed på kun 10 dele pr.milliard (2018 Metrologia 55 L13). Hvad angår Avogadro-konstanten,vil den blive fastsat til 6.022,140, 76 til 1023 mol–1. Og når Planck-og Avogadro-konstanterne er fikset, kan de komplekse eksperimenter, hvorfra de blev afledt, bruges som standarder til måling af et kilogram og en muldvarp.

praktisk effekt

den nemmeste måde at præcisere, hvordan dette vil fungere, er at overveje Kibble-balancen. Indtil nu er det blevet brugt til at måle nøjagtige værdier af strøm og spænding, der derefter tilsluttes ligninger for at give Planck-konstanten. I fremtiden vil Planck-konstanten være en fast værdi, og de samme målinger vil i stedet give massen på balancen. Med andre ord kan enhver med adgang til en Kibble-balance realisere et perfekt kilogram. Det samme princip vil også gælde for ampere og kelvin, som i fremtiden vil blive givet med hensyn til ladningen på henholdsvis en elektron, e og Boltsmann-konstanten, k. Udstyr designet til nøjagtigt at måle disse grundlæggende konstanter vil nu blive tændt på hovedet for nøjagtigt at realisere ampere-og kelvin-enhederne (Se boks nedenfor). Hvad angår måleren, anden og candela, deres definitioner vil blive finjusteret, men forbliver faktisk uændrede.

uden for metrologi vil den nye SI have ringe øjeblikkelig praktisk konsekvens og vil blive ubemærket af de fleste mennesker. Når alt kommer til alt kan enhederne defineres forskelligt, men målet er altid at holde deres størrelse den samme. Men at definere kilogram, kelvin, ampere og muldvarp på helt nye måder baseret på naturens konstanter gør dem uforanderlige, tilgængelige og praktiske. Derfor vil forskere være i stand til at måle dem på ethvert sted eller tidspunkt og i enhver skala.

“for første gang vil vi være i stand til at måle små og store mængder med den samme meget høje præcision, fordi de grundlæggende konstanter ikke er ligeglade med en skala,” tilføjer Schlamminger. Dette er vigtigt. Før måleren blev omdefineret, længde kunne kun måles meget præcist omkring en meter. Men siden dens omdefinering har applikationer med høj præcision som mikroelektronik draget stor fordel af den nøjagtighed, hvormed de kan måle afstand i små skalaer.

tilsvarende vil det nye kilogram tillade, at et kilogram, gram og milligram måles med identisk præcision, selv til det punkt, at atommasserne måles i kilogram. Så længe der er en eksperimentel forbindelse til Planck-konstanten, vil massen kunne måles. Derfor kæmper metrologer for at opbygge bordplader og nye enheder, der måler masse nøjagtigt i store og små skalaer. Så den nye masseenhed og SI-enheder er generelt endelig egnet til det 21.århundrede, og vil forblive så længe ind i fremtiden. Som Schlamminger passende konkluderer: “Den nye SI er en konstruktion af skønhed og logik.”

• For mere om de nye si definitioner, tjek Den gratis-til-læse fysik verden opdagelse ebook omdefinere Kilogram og andre SI enheder af Stephan Schlamminger på www.physicsworlddiscovery.org