czterdzieści stóp pod ziemią w Gaithersburg w stanie Maryland, w jasnym białym laboratorium, które wymaga trzech oddzielnych kluczy, Stany Zjednoczone przechowują cenną kolekcję małych, błyszczących metalowych cylindrów, które dosłownie definiują masę wszystkiego w tym kraju.

są piękne, z lustrzanymi wykończeniami i muszę oprzeć się pokusie ich dotykania. Gdybym ich dotknął, mógłbym zanieczyścić je olejem ze skóry i potencjalnie zwiększyć ich wagę. Patrick Abbott,” opiekun kilograma ” w National Institutes of Standards and Technology (NIST), mówi mi, że byłoby to bardzo złe.

obecnie kilogram ma bardzo prostą definicję: jest to masa kawałka stopu platyny i irydu, który od 1889 roku przechowywany jest w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres we Francji. Nosi nazwę International Prototype Kilogram (ur. ok. Big K, lub Le Grand K), i ma wiele kopii na całym świecie-w tym siedem w NIST w Gaithersburgu-które są używane do kalibrowania wag i upewnij się, że cały świat jest na jednym systemie pomiarowym.

oto jedna z kopii w NIST, zwana K4, wykuta z tego samego kawałka metalu, z którego w XIX wieku powstało duże K.

przyjrzyj się temu. Bo już niedługo zmieni się ten 129-letni standard kilograma.

w piątek naukowcy z całego świata spotkali się na ogólnej konferencji Miar i Wag w Wersalu we Francji i głosowali za zmianą definicji kilograma, wiążąc ją z uniwersalną stałą w naturze. Zmiana wejdzie w życie 20 maja 2019 roku.

jednym z ważnych powodów zmiany jest to, że duże K nie jest stałe. Stracił około 50 mikrogramów (o masie rzęsy) od czasu jej utworzenia. Ale, frustrujące, kiedy Duże K traci masę, to wciąż jest dokładnie jeden kilogram, zgodnie z obecną definicją.

gdy duże K się zmienia, wszystko inne musi się dostosować. Albo jeszcze gorzej: gdyby skradziono Duże K, nasz światowy system pomiaru masy zostałby pogrążony w chaosie.

w piątkowym głosowaniu najlepsi naukowcy na świecie zdecydowali się przyłożyć kilogram do stałej Plancka, fundamentalnej koncepcji mechaniki kwantowej, która nigdy, przenigdy się nie zmieni — tutaj na ziemi lub w głębinach wszechświata.

to coś więcej niż naukowe zwycięstwo. Jest to również filozoficzne, jak dowiedziałem się od naukowców z NIST, którzy od lat pracują nad redefinicją i nazywają ten moment najbardziej ekscytującym okresem w ich całej karierze.

dzięki nowej definicji Generalna Konferencja Miar i Wag uzupełnia pierwotne marzenie o systemie metrycznym , które zostało przyjęte w czasach rewolucji francuskiej. System metryczny-który przekształcił się w międzynarodowy System jednostek lub SI-został zaprojektowany tak, aby był ” dla wszystkich czasów, dla wszystkich ludzi.”

” obiekty zawsze się zmieniają”, mówi Stephan Schlamminger, naukowiec zajmujący się redefinicją. Z nową definicją mówi: „przechodzimy od obiektu” na ziemi ” do tego, co jest w niebie.”

i to jest coś, co warto świętować. W świecie, w którym wszystko zawsze wydaje się być w ruchu, ci naukowcy upewnili się, że kilogram nigdy się nie zmieni.

krótka historia kilograma

skąd wiesz, ile coś waży? Wiem, jest oczywista odpowiedź.

ale kiedy idziesz do sklepu spożywczego i ważysz paczkę jabłek, skąd ta waga wie, jak wygląda Funt owoców?

aby pomiary masy miały sens, potrzebujemy stałego punktu porównania. Te jabłka muszą ważyć mniej więcej niż coś. Aby uniknąć chaosu i pozwolić naszej gospodarce funkcjonować, to coś musi być powszechnie uznane.

skala w Twoim sklepie spożywczym została skalibrowana za pomocą wagi, która została skalibrowana za pomocą wagi, która została skalibrowana za pomocą wagi, i tak dalej. Wszystkie te kalibracje sięgają dokładnie tutaj, we wnętrznościach NIST. Spójne wagi i miary mają znaczenie nie tylko dla artykułów spożywczych: wyobraź sobie, że Boeing nie mógł dokładnie określić, ile waży samolot, lub czy przemysł farmaceutyczny nie mógł określić dokładnej masy maleńkiej, potencjalnie śmiertelnej dawki leku.

w Stanach Zjednoczonych nadal Używamy jednostek imperialnych: funtów i uncji. Ale tak naprawdę, wszystkie nasze pomiary pochodzą z międzynarodowego systemu jednostek, czyli SI, który używa metrów i kilogramów jako podstawowych jednostek długości i masy.

jeśli chodzi o masę w USA, wszystko sięga do tych cylindrów w kształcie krążka, które są precyzyjnie obrobione, aby ważyć 1 kilogram. Oficjalnie w USA 1 funt jest zdefiniowany jako 0,45359237 kilogramów. Stopa jest zdefiniowana jako 0,3048 metra.

ale system nie zawsze był tak uporządkowany. Przed rewolucją francuską i wynalezieniem systemu metrycznego, systemy miar i wag na całym świecie były chaotycznym, niesfornym bałaganem.

„wyobraź sobie świat, w którym za każdym razem, gdy podróżujesz, musisz używać różnych konwersji do pomiarów, tak jak my do walut”, wyjaśnia Madhvi Ramani z BBC. „Tak było przed rewolucją francuską pod koniec XVIII wieku, kiedy wagi i miary różniły się nie tylko w zależności od narodu, ale także w obrębie Narodów.”

rewolucja francuska polegała na obaleniu starych, archaicznych, chaotycznych hierarchii pozostawionych po epoce feudalnej i przekształceniu społeczeństwa z myślą o egalitarnych zasadach.

zainspirowani rewolucją, naukowcy w tym czasie chcieli zacząć od nowa nowy, spójny system miar, oparty na jednostkach nie na arbitralnych mandatach królów, ale na naturze. Celem było stworzenie systemu pomiaru ” na zawsze, dla wszystkich ludzi.”

tak więc, kiedy międzynarodowe biuro Miar i Wag zostało założone we Francji pod koniec XIX wieku, miernik-standardowa jednostka długości-został stworzony jako jedna dziesiąta milionowej odległości od Bieguna Północnego do równika. Gram czerpie inspirację z gęstości wody: jest ona w przybliżeniu równa masie 1 centymetra sześciennego wody utrzymywanej w temperaturze 4°C.

aby rozpowszechnić te nowe jednostki — aby upewnić się, że wszyscy na świecie je rozumieją — wynalazcy systemu metrycznego postanowili stworzyć obiekty fizyczne, aby je ucieleśniać i definiować. Wykonali metalowy pręt o długości dokładnie 1 metra. Stworzyli Duże K reprezentujące masę 1 kilograma, czyli 1000 gramów.

od XIX wieku wszystkie fizyczne Relikty starego systemu metrycznego zostały zastąpione przez miary przytwierdzone do stałych sił natury. Licznik został pierwotnie zdefiniowany jako proporcja wielkości Ziemi. Ale nawet kształt świata nie jest trwały. Cholera, Ziemia może nawet nie być trwała. Dziś licznik jest zdefiniowany przez prędkość światła. Drugi jest przymocowany do ruchu atomów pierwiastka cezu.

na razie tylko kilogram jest zdefiniowany przez obiekt fizyczny.

więc jaka jest ta nowa definicja kilograma? Przygotuj się, bo to trochę doozy.

nauka o redefinicji kilograma pod względem stałej Plancka, wyjaśniła

piątkowe głosowanie na Konferencji Generalnej ds. wag i miar przegrało jednogłośnie. Zmiany wejdą jednak w życie dopiero w maju 2019 roku. Kiedy nastąpi zmiana, oto jak kilogram zostanie zdefiniowany w międzynarodowym systemie jednostek:

kilogram, symbol kg, jest jednostką masy SI. Definiuje się ją przyjmując stałą wartość liczbową stałej Plancka h, która wynosi 6,626 070 15 × 10-34, wyrażoną w jednostce J s, która jest równa kg m2 s -1, gdzie metr i drugi są zdefiniowane w kategoriach C i ∆vCs.

Co tam?

to o wiele trudniejsze do wyjaśnienia niż bryła metalu we Francji. Ale spróbujmy.

zasadniczo Ogólna Konferencja na temat Miar i wag będzie ustalać wartość stałej Plancka, która opisuje, w jaki sposób najmniejsze fragmenty materii uwalniają energię w dyskretnych krokach lub kawałkach (zwanych kwantami).

po głosowaniu w piątek stała Plancka zostanie teraz i na zawsze ustawiona jako 6,62607015 × 10-34 m2 kg/S. i z tej stałej wartości stałej Plancka naukowcy mogą uzyskać masę kilograma.

ten wysiłek redefinicji zajął dekady, ponieważ stała Plancka jest mała (zaczyna się od przecinka dziesiętnego, a po nim 33 zera) i musiała zostać obliczona do bardzo małego marginesu błędu. Prace wymagały dokładnych pomiarów za pomocą niezwykle skomplikowanej maszyny zwanej równowagą Kibble ’ a (więcej o tym poniżej), a także obserwacji niezwykle okrągłej kuli krzemu.

to wyjaśnienie może wydawać się nieciekawe. I tak jest. Ale aby lepiej to docenić, warto przyjrzeć się, jak miernik — standardowa Na świecie jednostka długości — został przedefiniowany pod względem prędkości światła jako przykład, dlaczego było to konieczne.

metr został pierwotnie zdefiniowany jako długość drążka w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag we Francji. (Został on następnie przedefiniowany, aby był równy określonej długości fali promieniowania.) Ponownie, problemem z tą definicją była jej nieprecyzyjność. Nie opierała się ona na niezmiennych właściwościach wszechświata.

z kolei prędkość światła wynosi niezmienne 299 792 458 metrów na sekundę. Bez względu na to, gdzie jesteś, naukowcy wierzą, że pozostanie tak samo. (Przynajmniej, jeśli to się zmieni, to podniosłoby to wszystko, co wiemy o fizyce.)

do 1983 roku fizycy byli naprawdę dobrzy w mierzeniu prędkości światła. Więc użyli go, aby naprawić długość miernika na zawsze, aby stał się trwały. Oto jak: przedefiniowali licznik, aby był równy odległości, jaką światło przemieszcza się w próżni w 1/299, 792, 458 sekundy. Zasadniczo definicja miernika jest teraz zawarta w definicji prędkości światła.

jest w tym poezja: naukowcy wzięli miernik-dowolny pomiar długości wymyślony przez ludzi-i przytwierdzili go do uniwersalnej stałej. Nasze niechlujne ludzkie wymiary przekroczyły ich niechlujne człowieczeństwo; zostały one połączone z wieczną prawdą.

nowy, światłomierz ma taką samą długość jak stary standard licznika w Paryżu. Ale w przeciwieństwie do Starego standardu w Paryżu, teraz definicja licznika nigdy, przenigdy się nie zmieni.

to samo dzieje się ze stałą Plancka. Tak jak prędkość światła, stała Plancka jest uniwersalną prawdą, która nigdy się nie zmieni.

ustawiając końcową wartość stałej Plancka — której jednostki obejmują kilogram, podobnie jak jednostki prędkości światła obejmują metr — wielkość kilograma jest zawsze stabilna. Można również myśleć o tym w ten sposób: kilogram został zakotwiczony w stałej Plancka, gdzie będzie spoczywał na zawsze.

(być może, jeśli czytałeś uważnie, zauważyłeś, że jest tu mały problem z kurczakiem i jajkiem. Jak chcesz zdefiniować licznik pod względem prędkości światła, jeśli twoje pomiary prędkości światła zawierają również jednostkę „metr”? To samo dotyczy stałej Plancka: zawiera kilogramy w swoich jednostkach. Krótka odpowiedź: dlatego ludzie pracujący nad tymi problemami mają doktoraty.

Waga Kibble jest maszyną, która umożliwia to wszystko

przedefiniowanie kilograma pod względem Plancka było ogromnym wyzwaniem, które zajęło dziesięciolecia.

Po pierwsze, naukowcy musieli być w stanie zmierzyć stałą Plancka w bardzo precyzyjnym stopniu. Gdyby nasze oszacowanie prędkości światła miało duży margines błędu, nie byłoby wiarygodną kotwicą do pomiaru metra. To samo dotyczy Plancka.

od dziesięcioleci naukowcy z NIST, jak również kilka innych laboratoriów na całym świecie, używają maszyny zwanej równowagą Kibble ’ a (czasami określanej jako równowaga watów) do precyzyjnego pomiaru stałej Plancka w stopniu wystarczająco ostrożnym, aby można było ją wykorzystać do przedefiniowania kilograma.

podobnie jak normy kilogramowe, Waga granulatu jest przechowywana głęboko pod ziemią w NIST. Jest on zbudowany na betonowej podłodze, która dosłownie unosi się nad fundamentem budynku, aby lepiej odizolować wrażliwy sprzęt od wszelkich wibracji od reszty obiektu. Muszę założyć plastikową siatkę na włosy i buty, aby ją zobaczyć, ponieważ każdy kawałek gruzu może go wyrzucić z kalibracji.

gdyby Wiktorianie zbudowali wehikuł czasu i zaparkowali go w browarze, wyobrażam sobie, że wyglądałby mniej więcej tak.

Waga Kibble ’ a działa nieco jak prosty bilans masy. Wyobraź sobie, że Lady Justice trzyma w dłoni: ma dwie patelnie, które balansują w centralnym punkcie. Prosta równowaga porównuje dwa ciężary na każdej z patelni, w celu ich zrównania.

równowaga Kibble 'a — nazwana na cześć jej zmarłego wynalazcy, brytyjskiego fizyka Bryana Kibble’ a — robi coś podobnego, ale z mechaniką kwantową. To zrównuje energię mechaniczną wywieraną przez masę obiektu z równoważną ilością energii elektrycznej.

formuła, w której równowaga masy i energii elektrycznej jest skomplikowana. (Naukowcy z NIST zaprowadzili mnie do tablicy pokazanej poniżej, aby wyjaśnić.)

ważne jest to, że w tym równaniu — wśród wszystkich zmiennych w grze, które obejmują masę, prędkość, przyciąganie grawitacyjne, magnetyzm i elektryczność — leży stała Plancka. Używając tej maszyny, naukowcy byli w stanie znaleźć Plancka. Matematyka działa, ponieważ, jak Albert Einstein nauczył nas swoim najsłynniejszym równaniem E = mc2, masa i energia są zasadniczo różnymi wyrażeniami tego samego.

teraz możesz myśleć: Co robi równowaga Kibble ’ a teraz, gdy jest zdefiniowana stała Plancka?

cóż, zastępuje potrzebę dużego K we Francji, ponieważ teraz zna masę kilograma pod względem stałej Plancka. Będzie to precyzyjny pomiar, sposób na zapewnienie, że kilogram to nadal kilogram, który można wykorzystać do ważenia przedmiotów i określenia ich masy zgodnie z nowym standardem.

„w tej chwili nasze zapewnienie jakości stabilności opiera się na porozumieniu”, mówi Abbott. „Mówimy, że to się nie zmieni. Nasze zapewnienie jakości w równowadze karmy polega na tym, że opiera się ona na stałej natury, która została dokładnie zmierzona przez cały świat. i wiemy, że to się nie zmienia. To różnica na świecie.”

trwa demokratyzacja wag i miar

nadal ze mną?

Jeśli się nad tym wszystkim zastanowisz, oto do czego sprowadza się ta zmiana: nie będziemy już potrzebować rządu-USA, Francji, kogokolwiek-ani międzynarodowego organu zarządzającego, który powie nam, co to jest kilogram. Będzie to podstawowa prawda wszechświata, dostępna dla każdego, kto ma odpowiedni sprzęt, aby ją zrealizować.

teoretycznie każdy może zbudować równowagę. (Podobno w drodze są zminiaturyzowane”Mogą zbudować ten eksperyment i zmierzyć dowolną masę, dowolny materiał, po prostu umieścić go na wadze i uzyskać wartość masy, absolutną, w kategoriach stałej Plancka”, mówi Darine El Haddad, która prowadzi eksperyment z równowagą Kibble ’ a w NIST. Waga Kibble pozwala na „pomiar absolutny”, mówi.

w przyszłości przemysł wytwórczy nie będzie musiał wysyłać swoich wag i wag do NIST w celu kalibracji. Mogą mieć balans na hali produkcyjnej. W tym świetle nowa definicja jest bardziej demokratyczna – taka, która może być swobodnie używana na całym świecie, a nie trzymana w zamknięciu w sprawie we Francji.

zmiana ma jednak pewne wady. „Ludzie nawet nie rozumieją systemu metrycznego”, mówi Abbott. „Jak wyjaśnisz balans karmy?”Złożoność definicji może być wyłączona dla osób, które chcą uczyć się o nauce. Dziecko ze szkoły podstawowej może zrozumieć, że kawałek metalu waży kilogram, ale mechanika kwantowa?

Schlamminger twierdzi, że chociaż nowa definicja jest bardziej skomplikowana technicznie, „filozoficznie jest prostsza.”Kilogram zostanie wkrótce zdefiniowany przez podstawową fizykę wszechświata, a nie przez ludzką machinację.

Schlamminger ma na ramieniu wytatuowane słowa założycielskie systemu metrycznego: „dla wszystkich czasów, dla wszystkich ludzi”, obok cyfr stałej Plancka. Tak mocno wierzy w ideał. Uważa tę pracę za ” zakończenie łuku, który rozpoczął się wraz z rewolucją francuską.”I to jest kompletne: z piątkowego głosowania, kilogram jest teraz na zawsze, przez cały czas, i dla wszystkich ludzi.

Zobacz wszystkie opowiadania w nauce &zdrowie