i utkanten Av Paris, åtte meter under bakken i et klimakontrollert hvelv, sitter en 143 år gammel platina legering sylinder. Stående bare 39 mm høy, det har aldri blitt rørt av menneskehender. Som en delikat russisk dukke er sylinderen bur i tre nestede glassklokker i et rom som kun kan nås med tre nøkler holdt av tre forskjellige personer. Rundt det mystiske objektet er «vitnene»: seks «identiske» sylindere støpt av samme platinlegering.

selv om bevaringsarbeidet kan måle seg med Likkledet I Torino, er sylinderen ikke et hellig religiøst objekt. Det Er Den Internasjonale Prototypen Kilogram (IPK), den eneste sanne kilogram mot som alle andre er målt. Ligger I Pavillon De Breteuil-hjemmet Til International Bureau Of Weights And Measures (BIPM) – IPK vil snart miste sin unike status og bli en relikvie av en svunnen tid. Det vil da være like sjarmerende Som International Prototype Meter (IPM) – en platina legering bar også plassert PÅ BIPM – som fungerte som verdens offisielle meter til 1960.På 16 November 2018 metrologer og politikere fra 60 land rundt om i verden vil samles På Generalkonferansen Om Mål Og Vekt (CGPM) I Versailles, Frankrike. Ikke noe uvanlig der, da møtet møtes hvert fjerde år for å diskutere budsjetter og problemer i metrologi. Men dette møtet vil være spesielt. Medlemslandene vil stemme over om de skal vedta den mest omfattende endringen i Det Internasjonale System Av Enheter (Systemminne International, Eller SI) siden oppstarten i 1960. Det er en endring som vil inkludere nye definisjoner av kelvin, ampere og mol, men kanskje mest signifikant kilo.

hvert medlemsland vil avgi sin stemme i en prosess som vil bli streamet live online. Hvis endringen er ratifisert (og alle tegn er at det vil være), vil arrangementet markere slutten på å basere enheter på objekter – en praksis som går tilbake årtusener. Det vil også endelig oppfylle et ønske først uttalt Av James Clerk Maxwell, som forutslo at målestandarder på en eller annen måte kunne defineres av uforanderlige naturkonstanter.

et solid fundament

Da Han Talte på Et møte I British Association for The Advancement Of Science I Liverpool i 1870, fortalte Maxwell delegatene at «Hvis…vi ønsker å oppnå standarder for lengde, tid og masse som skal være helt permanente, må Vi ikke søke dem i dimensjonene, eller bevegelsen eller massen av planeten vår, men i bølgelengden, vibrasjonsperioden og den absolutte massen av disse uforgjengelige og uforanderlige og perfekt lignende molekyler.med innsidere som ikke ser noen antydning om et negativt utfall på BIPM-møtet denne måneden, er Det trygt å anta at beslutningen om å reformere SI vil passere uten motstand, Og Maxwells ønske om «helt permanente» standarder vil bli realisert. DEN nye SI vil da offisielt tre i kraft 20. Mai 2019, nøyaktig et dusin dusin (144) år etter Den første internasjonale traktaten om måleenheter – Meterkonvensjonen – som ble undertegnet samme dag i 1875. Men hvorfor er det så viktig at enheter er basert på naturens konstanter?

Enheter har vært en stift i samfunnet siden minst De gamle Egypternes tid. De brukte forskjellige deler av menneskekroppen eller gjenstander i deres miljø som skalaer for å måle ting. Men disse standardene kan være svært forskjellig fra sted til sted. For naturfilosofer i Det 17. Og 18. Århundre Europa gjorde enhetsvariabilitet – spesielt i lengde og masse – det nesten umulig å sammenligne resultater for det samme fysiske fenomenet hvis det hadde blitt målt på forskjellige steder.Ulike forsøk ble gjort på å skape et universelt mål og I 1799 introduserte Frankrike metriske systemet, basert på to enheter-meter og kilo. Kjent Som Meter Av Arkivene og Kilo Arkivene, disse to platina gjenstander ble lagret På Archives Nationales I Paris for å lovlig og praktisk definere enhetene. Disse standardene sto for 90 år før DE ble erstattet AV IPM OG IPK, som var fysisk hardere og bedre utformet.

Universell tenkning

si enheter har blitt flettet sammen i vitenskapen. Fra den energidefinerende joule til katal for måling av katalytisk aktivitet, kan ALLE 29 navngitte si-enheter defineres ved en kombinasjon av bare syv basisenheter: den andre, meter, kilo, ampere, kelvin, mol og candela. Men da vitenskapen ble stadig mer presis i det 20. århundre, reiste et nytt problem sitt hode. Enhver enhet basert på noe-et objekt, eksperiment eller fenomen – som ikke er universelt, vil være ustabil.

Vurder den andre. Det er historisk knyttet Til jordens revolusjon, som er definert som å ta 24 timer, hvor en time er 60 minutter, og et minutt er 60 sekunder. Men hva skjer hvis Jorden begynner å rotere sakte, som det gjør om enn aldri så litt? En dag vil være lengre, noe som betyr at et sekund vil være lengre i reelle termer også. Det betyr at en bil som registrerer 30 km / t, faktisk vil reise litt tregere, en 30 w pære vil være litt dimmer, og enda mer absurd vil universet utvide seg med en annen hastighet. hvis imidlertid begrepet og varigheten av et sekund holdes, Men Jordens rotasjon fjernes fra definisjonen og erstattes med noe som aldri endres hvor og når det måles i universet, blir det andre stabilt. Dette ble gjort i 1967, da den andre ble omdefinert som 9,192,631,770 ganger strålingsperioden som tilsvarer overgangen mellom de to hyperfine nivåene av grunntilstanden til cesium – 133-atomet, Δν (se «a Brief history of time-keeping» av helen Margolis).senere, I 1983, ble meteren også omdefinert, da lengden på banen reiste med lys i vakuum i et tidsintervall på 1/299, 792, 458 sekunder. Den utsøkte presisjonen som forskere siden har kunnet måle tid og avstand har vært til nytte for samfunnet, ikke minst ved å føre til satellittbaserte posisjoneringssystemer, spesielt GPS.

Planck til unnsetning

Til tross for å ha tjent samfunnet godt i 143 år, definere kilo i form av et enkelt objekt er en iboende ustabil forestilling. Det er fordi HVIS IPK blir lettere eller tyngre, selv med en liten mengde, endres universets masse uttrykt i kilo også – et gal forslag. Snarere bekymringsfullt HAR IPK endret seg. DA metrologer målte DET i 1988-1991, HADDE IPK en masse rundt 50 µ mindre i gjennomsnitt enn de seks vitnene. Per definisjon betyr dette at vitnene hadde fått en liten mengde masse på en eller annen måte, kanskje ved å absorbere luftmolekyler. Men mer sannsynlig-gitt at mange nasjonale kopier av kilo også syntes å være å få masse – ER AT IPK hadde mistet masse. Eller kanskje de hadde alle fått eller mistet masse, bare på ulike priser.

Metrologer så ingen videre drift mellom IPK og vitnene fra 1991 til 2014, sist gang målinger ble gjort. Men det faktum at det ikke var noen drift, betydde ikke AT IPK-massen eller vitnene ikke hadde endret seg. De kan ganske enkelt ha mistet eller fått masse i tandem. Og det er problemet: det er ingen måte å fortelle fordi masse alltid er kalibrert mot IPK.»med den reviderte SI trenger vi ikke å bekymre oss for dette,» forklarer Richard Davis, en tidligere leder AV BIPMS massedivisjon som nå er konsulent for byrået. I stedet for å bli definert av massen av en sylinder av metall, vil kilogrammet i den nye si være basert på en grunnleggende konstant av kvantefysikk: Planck-konstanten.Oppkalt Etter Max Planck, som utviklet ideen om at energi kommer i små pakker kalt quanta, planck-konstanten, h, relaterer energien til ett kvantum av elektromagnetisk stråling til frekvensen av den berømte formelen E = hv. Planck-konstanten er i sin tur knyttet til masse Via Einsteins E = mc2. For tiden har h en målt verdi på ca 6.62607 × 10-34 m2 kg s-1, men metrologer vil nå fikse verdien i stein, med kilogrammet definert i forhold til denne verdien.Det vil derfor være farvel TIL IPK, som er et fysisk ustabilt objekt, og farvel til usikkerhet i Verdien Av Plancks konstant. «Etter omdefinisjonen er den urokkelige Plancks konstant festet til en verdi, mens usikkerheten er mer hensiktsmessig shunted TIL MASSEN AV IPK,» sier Stephan Schlamminger, en metrolog fra National Institute Of Standards AND Technology, USA. «Og med en fast Plank konstant, vil bedre enheter kunne realisere et kilo mer og mer presist.»

Watt mener du

for å starte på høyre fot er det viktig at verdien Der Plancks konstant er fast, måles så nøyaktig som mulig. Dette ansvaret hviler på målinger fra to svært forskjellige typer eksperimenter. Den første av disse kalles en kibble balance, tidligere kalt en wattbalanse, men nå omdøpt til ære For oppfinneren Bryan Kibble fra STORBRITANNIAS Nasjonale Fysiske Laboratorium, som døde i 2016. For Tiden har Bare Frankrike, Canada og USA Kibble-balanser som er i stand til å gjøre målingene som trengs for å fikse Planck-konstanten. Imidlertid jobber mange andre med å bygge balanser av seg selv. Som et høyteknologisk sett med skalaer bruker Kibble-balansen elektromagnetiske krefter levert av en spole av ledning nedsenket i et magnetfelt for å balansere en kilo masse. Utstyret lar metrologer ta nøyaktige verdier av strøm og spenning, hvorfra Planck-konstanten kan avledes (se boksen nedenfor).

kibble balanse

hva er det? Kibble (eller watt) balansen består av en sirkulær, horisontal spole av ledning av lengde, l, hengt fra en arm av en balanse. Spolen er plassert I et sterkt magnetfelt, B, og en elektrisk strøm, I, føres gjennom den genererer en kraft, F = BIL, som kan justeres til lik vekten av en masse plassert på samme arm av balansen (mg). Massen er da gitt av m = BIL/g.

Hva er problemet ? Selv om jeg kan måles nøyaktig, er det vanskelig å gjøre Det samme For B og L.

Så hva er løsningen? Metrologer fjerner massen og beveger spolen med hastighet u i magnetfeltet for å generere en spenning V = BLu. Enheten kalles en wattbalanse fordi, ved å omorganisere de to ligningene, er elektrisk kraft (VI) balansert av mekanisk kraft (mgu). Med andre ord, m = VI / gu. Da u er lett å måle og g (akselerasjonen på grunn av tyngdekraften) er velkjent, har problemene med måling B Og L forsvunnet.

Men hva er koblingen Med Planck-konstanten, h? Det er den smarte biten. Strømmen bestemmes ved å passere den gjennom en motstand og bruke Josephson-effekten til å måle den resulterende spenningsfallet. Denne effekten beskriver det faktum at hvis to superledere er adskilt av en tynn isolator, par elektroner i hvert lag par slik at mikrobølgestråling av frekvens, f, skaper en spenning over laget Av V = hf / 2e, hvor e er ladningen på elektronen. Motstanden til motstanden kan måles fordi elektronstrømmen i 2d-systemer ved ultralave temperaturer er kvantisert, med ledningsevnen økende i multipler av e2 / h.

Så hvorfor er dette bra for metrologi? Inntil nå har En Kibble balanse målt h I SI-enheter. Men når definisjonen av kilo endres, vil den numeriske verdien av h bli festet i stein, slik at alle kan bruke balansen til å måle masse med utsøkt presisjon.

den andre måten å måle h på kalles Røntgenkrystalltetthet (XRCD) eller avogadro-eksperimentet. Det innebærer en jevn krystall av silisium-28 atomer som har blitt maskinert i nesten en perfekt rund 1 kg sfære. Ved hjelp av optisk interferometri beregner metrologer først den totale diameteren – og dermed volumet – av sfæren. Ved å kombinere optisk interferometri med Røntgenanalyse kan de deretter beregne avstanden mellom atomer, volumet hver opptar, og dermed totalt antall atomer i sfæren. Til slutt, ved å veie sfæren, kan de bestemme Avogadro-konstanten. Denne tilnærmingen definerer hvor mange atomer eller molekyler det er i en mol av et stoff – en mengde som er ganske forskjellig fra masse, som nå vil definere molen selv. En ligning fra atomfysikk som forbinder Avogadro-og Planck-konstantene, tillater da en presis verdi av sistnevnte å bli fanget.Laboratorier over hele verden har brukt disse to forskjellige teknikkene for å måle Planck-konstanten med ekstraordinær presisjon for å gi en endelig avtalt verdi på 6.626, 070,150 × 10-34 kg m2 s-1, med en relativ usikkerhet på bare 10 deler per milliard (2018 Metrologi 55 L13). Når det gjelder avogadro–konstanten, vil den bli løst til 6.022,140,76 × 1023 mol-1. Og når Planck-og avogadro-konstantene er løst, kan de komplekse forsøkene de ble avledet fra, brukes som standarder for måling av et kilo og en mol.

Praktisk effekt

den enkleste måten å stave ut hvordan dette vil fungere, er å vurdere Kibble-balansen. Hittil har Det blitt brukt til å måle nøyaktige verdier av strøm og spenning som deretter kobles til ligninger for å gi Planck-konstanten. I fremtiden Vil Planck-konstanten være en fast verdi, og de samme målingene vil i stedet gi massen på balansen. Med andre ord, alle med tilgang Til En Kibble balanse kan realisere en perfekt kilo. Det samme prinsippet vil gjelde for ampere og kelvin også, som i fremtiden vil bli gitt når det gjelder ladningen på en elektron, e og Boltzmann-konstanten, k, henholdsvis. Utstyr designet for å måle disse grunnleggende konstantene nøyaktig, vil nå bli slått på hodet for å nøyaktig realisere ampere – og kelvin-enhetene (se boksen nedenfor). Som for meter, andre og candela, deres definisjoner vil bli forskjøvet, men vil forbli effektivt uendret.

Utenfor metrologi vil den nye SI ha liten umiddelbar praktisk konsekvens, og vil gå ubemerket av de fleste. Tross alt kan enhetene defineres annerledes, men målet er alltid å holde størrelsen den samme. Likevel definerer kilogram, kelvin, ampere og mol på helt nye måter basert på naturens konstanter, gjør dem invariante, tilgjengelige og praktiske. Derfor vil forskere kunne måle dem på noe sted eller tid, og på hvilken som helst skala.»for første gang vil vi kunne måle små og store mengder med samme svært høye presisjon fordi de grunnleggende konstantene ikke bryr seg om en skala,» legger Schlamminger til. Dette er viktig. Før måleren ble omdefinert, kunne lengden bare måles svært nøyaktig rundt en meter. Men siden omdefinisjonen har høypresisjonsapplikasjoner som mikroelektronikk hatt stor nytte av nøyaktigheten som de kan måle avstanden på små skalaer.

På Samme måte vil det nye kilogrammet tillate et kilo, gram og milligram å måles med identisk presisjon, til og med til det punktet at atommassene måles i kilo. Så lenge Det er en eksperimentell forbindelse Til Planck-konstanten, vil massen kunne måles. Derfor er metrologer racing å bygge tabletop Kibble balanserer og nye enheter som måler masse nøyaktig på skalaer store og små. Så den nye masseenheten og SI-enhetene er generelt endelig egnet for det 21. århundre, og vil forbli så lenge inn i fremtiden. Som Schlamminger treffende konkluderer: «Den nye SI er en konstruksjon av skjønnhet og logikk.»

• for mer om de nye si definisjoner, sjekk ut Free-to-read Physics World Discovery ebok Redefinere Kilogram og ANDRE Si Enheter Av Stephan Schlamminger på www.physicsworlddiscovery.org