Førti meter under jorden I Gaithersburg, Maryland, i et lyst hvitt laboratorium som krever tre separate nøkler for å komme inn, lagrer Usa En dyrebar samling av små, skinnende metallsylindere som bokstavelig talt definerer massen av alt i dette landet.

de er vakre, med speilfinisher, og jeg må motstå trangen til å berøre dem. Hvis jeg rørte dem, kunne jeg forurense dem med olje fra huden min og potensielt øke vekten. Patrick Abbott,» keeper av kilogrammet » her på National Institutes Of Standards and Technology (NIST), forteller meg at dette ville være veldig dårlig.

kilogrammet har For øyeblikket en veldig enkel definisjon: det er massen til en hunk av platina-iridiumlegering som har blitt plassert på Det Internasjonale Byrået For Vekt Og Mål I Sè, Frankrike siden 1889. Det kalles Den Internasjonale Prototypen Kilogram (aka). Big K, Eller Le Grand K), og den har mange kopier rundt om i verden – inkludert syv PÅ NIST I Gaithersburg – som brukes til å kalibrere skalaer og sørge for at hele verden er på ett målesystem.Her er en av kopiene PÅ NIST, kalt K4, smidd fra samme stykke metall Som Big K ble opprettet I Det 19.århundre.

Ta en god titt på det. Fordi veldig snart vil denne 129 år gamle standarden for kilo endres.på fredag møtte forskere fra hele verden På Generalkonferansen Om Mål og Vekt I Versailles, Frankrike, og stemte for å endre definisjonen av et kilo, og knytte det til en universell konstant i naturen. Endringen trer i kraft 20. Mai 2019.En viktig årsak til endringen er At Big K ikke er konstant. Det har mistet rundt 50 mikrogram (om massen av en øyenvippe) siden den ble opprettet. Men frustrerende, Når Big K mister masse, er det fortsatt nøyaktig ett kilo, per dagens definisjon.

Når Big K endres, må alt annet justeres. Eller enda verre: Hvis Big K ble stjålet, ville vår verdens system for massemåling bli kastet inn i kaos.med avstemningen fredag valgte verdens toppmålingsforskere å feste kilogrammet Til Planck-konstanten, et grunnleggende konsept i kvantemekanikk som aldri kan forandre seg-her på Jorden eller i universets dype rekkevidde.

dette er mer enn en vitenskapelig seier. Det er også en filosofisk, som jeg lærte AV nist-forskerne som har jobbet i årevis med omdefinering og kaller dette øyeblikket den mest spennende tiden av hele karrieren.

Med Den nye definisjonen fullfører Generalkonferansen Om Vekt og Mål den opprinnelige drømmen om det metriske systemet, som ble omfavnet under den franske Revolusjonen. Det metriske systemet-som utviklet Seg Til Det Internasjonale System Av Enheter, ELLER SI – ble designet for å være » for alle tider, for alle mennesker.»

«Objekter endres alltid,» sier Stephan Schlamminger, EN nist-forsker som er involvert i omdefinisjonen. Med den nye definisjonen, sier han, «vi går fra et objekt» På Jorden » til ting som er i himmelen.»

Og det er noe verdt å feire. I en verden der alt alltid ser ut til å være i flux, har disse forskerne nå sørget for at kilogrammet aldri vil forandre seg.

en kort historie om kilogrammet

Hvordan vet du hva noe veier? Jeg vet, det er et åpenbart svar: du legger det på en skala.Men Når du går til en matbutikk og veier et bunt epler, hvordan vet den skalaen hva et pund frukt føles som?

for massemålinger for å gi mening, trenger vi et fast sammenligningspunkt. Disse eplene trenger å veie mer eller mindre enn noe. For å unngå kaos, og for å la økonomien vår fungere, må noe bli anerkjent universelt.

vekten i matbutikken din ble kalibrert med en vekt som ble kalibrert med en vekt som ble kalibrert med en vekt, og så videre. Og alle kalibreringene sporer tilbake til her, i dypet AV NIST. Konsekvente vekter og mål betyr noe for mer enn dagligvarer: Tenk Om Boeing ikke kunne finne ut nøyaktig hva et fly veier, eller hvis farmasøytisk industri ikke kunne bestemme den nøyaktige massen av en liten, potensielt dødelig dose medisin.

I Usa bruker vi fortsatt britiske enheter: pund og unser. Men egentlig er alle våre målinger avledet Fra Det Internasjonale System Av Enheter, ELLER SI, som bruker meter og kilo som de grunnleggende enhetene av lengde og masse.

når det gjelder masse I USA, sporer alt tilbake til disse puckformede sylinderne, som nettopp er maskinert til å veie 1 kilo. Offisielt, I USA, er 1 pund definert som 0.45359237 kilo. En fot er definert som 0.3048 meter.

men systemet var ikke alltid så ordnet. Før den franske Revolusjonen og oppfinnelsen av det metriske systemet var systemene for vekt og mål over hele verden et kaotisk, urolig rot.»Tenk deg en verden der hver gang du reiste, måtte du bruke forskjellige konverteringer for målinger, som vi gjør for valuta,» Forklarer MADHVI Ramani FRA BBC. «Dette var tilfellet før Den franske Revolusjonen i slutten av det 18. Århundre, hvor mål og vekt varierte ikke bare fra nasjon til nasjon, men også innen nasjoner.»Den franske Revolusjonen var i ferd med å velte gamle, arkaiske, kaotiske hierarkier som var igjen fra føydaltiden og omskape samfunnet med egalitære prinsipper i tankene.Inspirert av revolusjonen ønsket forskere på den tiden å starte friskt på et nytt, konsistent målesystem, og basere enheter ikke på vilkårlige mandater fra konger, men på naturen. Målet var å skape et system for måling «for all tid, for alle mennesker.»

Da Det Internasjonale Bureau of Weights and Measures ble grunnlagt i Frankrike på slutten av 1800 — tallet, ble måleren — standard lengdeenhet-opprettet for å være en ti milliondels avstand Fra Nordpolen til ekvator. Grammet tar inspirasjon fra tettheten av vann: det er omtrent lik massen av 1 kubikkcentimeter vann holdt ved 4°C.

for å spre disse nye enhetene — for å sikre at alle i verden forsto dem — bestemte oppfinnerne av det metriske systemet seg for å lage fysiske objekter for å legemliggjøre og definere dem. De laget en metallstang for å være nøyaktig 1 meter lang. De skapte Big K for å representere massen på 1 kilo, eller 1000 gram.Siden det 19. århundre har alle fysiske relikvier av det gamle metriske systemet blitt erstattet av målinger festet til konstante naturkrefter. Måleren ble opprinnelig definert som en andel Av Jordens størrelse. Men selv formen på verden er ikke permanent. Heck, Jorden kan ikke engang være permanent. Så i dag er måleren definert av lysets hastighet. Den andre er festet til bevegelsen av atomene i elementet cesium.

bare kilogrammet er fortsatt definert av et fysisk objekt, for nå.

Så hva er denne nye definisjonen av kilogrammet? Forbered deg, fordi det er litt av en doozy.

vitenskapen om å omdefinere kilogrammet i Form Av Planck-konstanten, forklart

fredagens stemme på Generalkonferansen om Mål og Vekt ble enstemmig vedtatt. Men endringene trer ikke i kraft Før I Mai 2019. Når endringen kommer, så er kilogrammet definert i Det Internasjonale Systemet Av Enheter:

kilogrammet, symbolet kg, ER si-masseenheten. Det defineres ved å ta den faste numeriske verdien Av Planck-konstanten h til å være 6.626 070 15 × 10-34 når den uttrykkes I enheten J s, som er lik kg m2 s -1, hvor måleren og den andre er definert i form av c og ∆vCs.

Hva pokker?

det er mye vanskeligere å forklare enn en klump av metall I Frankrike. Men la oss prøve.I Utgangspunktet vil Generalkonferansen om Vekt Og Tiltak fastsette verdien Av Planck-konstanten, som beskriver hvordan de minste biter av materie frigjør energi i diskrete trinn eller biter (kalt kvanta).

med avstemningen fredag Vil Planck-konstanten nå og for alltid bli satt som 6.62607015 × 10-34 m2 kg / s. og fra Denne faste verdien Av Planck-konstanten kan forskere utlede massen av et kilo.Denne omdefineringsinnsatsen har tatt flere tiår fordi Planck-konstanten er liten (den starter med et desimaltegn og etterfølges av 33 nuller) og måtte beregnes ned til en super-liten feilmargin. Arbeidet krevde nøye målinger med en utrolig komplisert maskin kalt Kibble balance (mer om det nedenfor), samt observasjoner av en ekstremt rund sfære av silisium.

den forklaringen kan virke wonky. Og det er det. Men for å bedre sette pris på det, er det nyttig å se på hvordan måleren — verdens standard lengdeenhet — ble omdefinert med hensyn til lysets hastighet som et eksempel på hvorfor dette var nødvendig.

måleren ble opprinnelig definert som lengden på en bar ved Det Internasjonale Bureau Of Weights and Measures I Frankrike. (Det ble da omdefinert til å være lik en viss bølgelengde av stråling.) Igjen var problemet med denne definisjonen sin unøyaktighet. Det var ikke basert på uforanderlige egenskaper av universet.

Lyshastighet, derimot, er en uendret 299.792.458 meter per sekund. Uansett hvor du er, tror forskere, forblir det det samme. (I det minste, hvis det endrer seg, vil det forstyrre det meste vi vet om fysikk.)

i 1983 hadde fysikere blitt veldig gode til å måle lysets hastighet. Så de brukte den til å fikse lengden på måleren for alltid, for å gjøre den permanent. Slik gjør Du det: de omdefinerte måleren til å være lik avstanden lyset reiser i et vakuum i 1/299, 792, 458 av et sekund. I hovedsak er definisjonen av måleren nå bakt inn i definisjonen av lysets hastighet.Det er en poesi til dette: Forskere tok måleren-en vilkårlig lengdemåling oppfunnet av mennesker-og festet den til en universell konstant. Våre rotete menneskelige målinger har overskredet deres rotete menneskelighet; de har blitt smeltet med en evig sannhet.

Den nye lysdefinerte måleren har samme lengde som Den gamle måleren i Paris. Men i motsetning til Den gamle standarden I Paris, nå definisjonen av måleren kan aldri, aldri endre.

Det samme skjer Med Planck-konstanten. Som lysets hastighet Er Planck-konstanten en universell sannhet som aldri vil forandre seg.

ved å sette en endelig verdi Av Planck konstant-enhetene som inkluderer kilo, mye som enhetene i lysets hastighet inkluderer måleren – størrelsen på et kilo er alltid stabil — Du kan også tenke på det slik: kilogrammet har blitt forankret Til Planck-konstanten, hvor den vil hvile for alltid.

(Kanskje hvis du har lest nøye, har du lagt merke til at det er litt av et kylling – og-eggproblem her. Hvordan søker du å definere en meter når det gjelder lysets hastighet hvis dine målinger av lysets hastighet også inneholder enheten «meter»? Det er det samme For Planck-konstanten: den inneholder kilo i sine enheter. Kort svar: Dette er grunnen til at de som jobber med disse problemene har Doktorgrader.)

Kibble-balansen er maskinen som gjør dette mulig

Å Omdefinere kilogrammet i Form Av Planck har vært en enorm utfordring, en som har tatt flere tiår å fullføre.

for en måtte forskerne kunne måle Planck-konstanten i ekstremt presis grad. Hvis vårt estimat av lysets hastighet hadde en stor feilmargin, ville det ikke være et pålitelig anker for å måle en meter. Det samme gjelder Planck.i flere tiår har forskerne ved NIST, samt noen få andre laboratorier rundt om i verden, brukt en maskin kalt kibble-balansen (noen ganger referert til som wattbalansen) for å måle Planck-konstanten nøyaktig i en forsiktig nok grad at den kan brukes til å omdefinere kilogrammet.

som kilogramstandardene er Kibble-balansen plassert dypt under jorden VED NIST. Den er bygget på et betonggulv som bokstavelig talt kan flyte over bygningens fundament for bedre å isolere det følsomme utstyret fra vibrasjoner fra resten av anlegget. Jeg må ha et plastnett over håret mitt og skoene for å se det fordi noen rusk kan kaste den ut av kalibrering.Hvis Viktorianerne hadde bygget en tidsmaskin og parkert den i et bryggeri, ville jeg tro at det ville se slik ut.

Kibble-balansen fungerer noe som en enkel massebalanse. Bilde En Dame Justice holder i hånden: den har to panner som balanserer på et sentralt punkt. En enkel balanse sammenligner to vekter på hver av pannene, med målet om å likestille dem.Kibble-balansen-oppkalt etter sin sene oppfinner, Den Britiske fysikeren Bryan Kibble-gjør noe lignende — men med en kvantemekanisk vri. Den tilsvarer den mekaniske energien som utøves av massen av et objekt med en tilsvarende mengde elektrisk energi.

formelen Kibble-balansen gir for å likestille masse og elektrisk kraft er komplisert. (Nist-forskerne brakte meg til tavlen vist nedenfor for å forklare.)