na przedmieściach Paryża, osiem metrów pod ziemią w klimatyzowanym skarbcu, znajduje się 143-letni cylinder Ze stopu platyny. Stojąc zaledwie 39 mm wysokości, nigdy nie został dotknięty ludzkimi rękami. Podobnie jak delikatna rosyjska lalka, cylinder jest umieszczony w klatce w trzech zagnieżdżonych szklanych dzwonkach w pokoju, do którego można uzyskać dostęp tylko za pomocą trzech kluczy trzymanych przez trzy różne osoby. Wokół tajemniczego obiektu znajdują się” świadkowie”: sześć” identycznych ” cylindrów odlanych z tego samego stopu platyny.

chociaż wysiłki konserwatorskie konkurują z działaniami Całunu Turyńskiego, cylinder nie jest świętym obiektem religijnym. Jest to międzynarodowy prototypowy Kilogram (IPK), jedyny prawdziwy kilogram, na podstawie którego mierzy się wszystkie pozostałe. Mieszczący się w Pavillon de Breteuil – domu Międzynarodowego Biura Miar i Wag (BIPM) – IPK wkrótce straci swój unikalny status i stanie się reliktem minionej epoki. Będzie on wtedy równie osobliwy, jak Międzynarodowy Miernik prototypowy (IPM) – pręt ze stopu platyny znajdujący się również w BIPM – który służył jako oficjalny Miernik na świecie do 1960 roku.

16 listopada 2018 roku metrolodzy i decydenci polityczni z 60 krajów na całym świecie spotkają się na Generalnej Konferencji Miar i Wag (Cgpm) w Wersalu we Francji. Nie ma w tym nic niezwykłego, ponieważ spotkanie odbywa się raz na cztery lata w celu omówienia budżetów i kwestii związanych z metrologią. Ale to spotkanie będzie wyjątkowe. Państwa członkowskie będą głosować nad tym, czy przyjąć najistotniejszą zmianę w międzynarodowym systemie jednostek (Système International, lub SI) od czasu jego powstania w 1960 r. Jest to zmiana, która obejmie nowe definicje Kelvina, Ampera i Kreta, ale chyba najbardziej znaczącego kilograma.

każde państwo członkowskie będzie oddawać swój jeden głos w procesie, który będzie transmitowany na żywo w Internecie. Jeśli zmiana zostanie ratyfikowana (a wszystko wskazuje na to, że tak będzie), wydarzenie oznaczy koniec bazowania jednostek na obiektach – praktyka sięgająca tysiącleci. W końcu spełni również życzenie Jamesa Clerka Maxwella, który przewidział, że normy pomiarowe mogą być w jakiś sposób zdefiniowane przez niezmienne stałe natury.

solidny fundament

przemawiając na spotkaniu Brytyjskiego Stowarzyszenia Na Rzecz Rozwoju Nauki w Liverpoolu w 1870 roku, Maxwell powiedział delegatom, że „jeśli…chcemy uzyskać standardy długości, czasu i masy, które będą absolutnie trwałe, musimy szukać ich nie w wymiarach, ruchu lub masie naszej planety, ale w długości fali, okresie wibracji i absolutnej masie tych niezniszczalnych i niezmiennych i doskonale podobnych cząsteczek.”

w związku z tym, że wtajemniczeni nie widzą żadnego śladu negatywnego wyniku na posiedzeniu BIPM w tym miesiącu, można bezpiecznie założyć, że uchwała o reformie SI przejdzie bez sprzeciwu i spełni się pragnienie „absolutnie stałych” standardów. Nowy układ SI oficjalnie wejdzie w życie 20 maja 2019 r., dokładnie kilkanaście (144) lat po podpisaniu tego samego dnia w 1875 r.pierwszego międzynarodowego traktatu o jednostkach miar – Konwencji metrycznej. Ale dlaczego jest tak ważne, że jednostki są oparte na stałych natury?

jednostki były podstawą społeczeństwa przynajmniej od czasów starożytnych Egipcjan. Używali różnych części ludzkiego ciała lub przedmiotów w swoim środowisku jako skal do pomiaru rzeczy. Jednak standardy te mogą być bardzo różne z miejsca na miejsce. Dla filozofów przyrody w XVII – i XVIII-wiecznej Europie zmienność jednostkowa-szczególnie w zakresie długości i masy-sprawiła, że porównanie wyników dla tego samego zjawiska fizycznego było prawie niemożliwe, gdyby było mierzone w różnych miejscach.

podejmowano różne próby stworzenia miary uniwersalnej i w 1799 roku Francja wprowadziła system metryczny, oparty na dwóch jednostkach – metrze i kilogramie. Znane jako metr archiwum i Kilogram Archiwum, te dwa Platynowe artefakty były przechowywane w Archives Nationales w Paryżu, aby prawnie i praktycznie zdefiniować jednostki. Normy te trwały przez 90 lat, dopóki nie zostały zastąpione przez IPM i IPK, które były fizycznie trudniejsze i lepiej zaprojektowane.

myślenie uniwersalne

jednostki SI zostały wplecione w naukę. Od dżula definiującego energię do katalu do pomiaru aktywności katalitycznej, wszystkie 29 nazwanych jednostek SI można zdefiniować przez pewną kombinację zaledwie siedmiu jednostek podstawowych: drugiego, metra, kilograma, Ampera, Kelvina, mola i candela. Ale gdy nauka stawała się coraz bardziej precyzyjna w XX wieku, pojawił się nowy problem. Każda jednostka oparta na czymś-obiekcie, eksperymencie lub zjawisku-która nie jest uniwersalna, będzie niestabilna.

zastanów się nad drugim. Jest to historycznie związane z rewolucją ziemi, która jest zdefiniowana jako trwająca 24 godziny, gdzie godzina to 60 minut, a minuta to 60 sekund. Ale co się stanie, jeśli ziemia zacznie się obracać wolniej, jak to robi, choć zawsze tak lekko? Dzień będzie dłuższy, co oznacza, że sekunda będzie również dłuższa w ujęciu realnym. Oznacza to, że samochód rejestrujący 30 km / h faktycznie będzie jechał trochę wolniej, żarówka o mocy 30 W będzie trochę ciemniejsza, a co bardziej absurdalne, wszechświat będzie się rozszerzał w innym tempie.

Jeśli jednak pojęcie i czas trwania sekundy zostaną zachowane, ale obrót Ziemi zostanie usunięty z definicji i zastąpiony czymś, co nigdy nie zmienia się gdziekolwiek i kiedykolwiek jest mierzone we wszechświecie, sekunda staje się stabilna. Zostało to zrobione w 1967 roku, kiedy drugi został ponownie zdefiniowany jako 9,192,631,770 razy okres promieniowania odpowiadający przejściu między dwoma hiperfinowymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu-133, Δν (patrz „krótka historia zachowania czasu” Helen Margolis).

później, w 1983 roku, ponownie zdefiniowano także metr, jako długość drogi pokonywanej przez światło w próżni w przedziale czasowym 1/299,792,458 sekund. Niezwykła precyzja, z jaką naukowcy byli w stanie mierzyć czas i odległość, przyniosła korzyści społeczeństwu, między innymi dzięki wprowadzeniu satelitarnych systemów pozycjonowania, w szczególności GPS.

Planck na ratunek

pomimo tego, że dobrze służył społeczeństwu przez 143 lata, zdefiniowanie kilograma w kategoriach pojedynczego przedmiotu jest z natury niestabilnym pojęciem. To dlatego, że jeśli IPK stanie się lżejszy lub cięższy, nawet o niewielką ilość, masa wszechświata wyrażona w kilogramach również się zmienia – szalona propozycja. Dość niepokojąco zmienia się IPK. Kiedy w latach 1988-1991 metrolodzy zmierzyli go, IPK miał masę średnio około 50 µg mniejszą niż sześciu świadków. Z definicji oznacza to, że świadkowie w jakiś sposób uzyskali niewielką ilość masy, być może przez pochłanianie cząsteczek powietrza. Ale bardziej prawdopodobne – biorąc pod uwagę, że wiele krajowych kopii kilograma również zyskało na masie-jest to, że IPK stracił masę. A może wszyscy zyskali lub stracili masę, tylko w różnym tempie.

metrolodzy nie widzieli dalszego dryfu między IPK a świadkami od 1991 do 2014 roku, ostatni raz dokonano pomiarów. Ale to, że nie było dryfu, nie oznaczało, że masa IPK i świadków się nie zmieniła. Mogli po prostu tracić lub zyskiwać masę w tandemie. I w tym problem: nie da się powiedzieć, bo masa jest zawsze kalibrowana względem IPK.

„dzięki poprawionej SI nie będziemy musieli się tym martwić” – wyjaśnia Richard Davis, były szef wydziału masowego BIPM, który jest obecnie konsultantem biura. Zamiast definiować masę metalowego cylindra, w nowym układzie SI kilogram będzie oparty na fundamentalnej stałej fizyki kwantowej: stała Plancka.

nazwany na cześć Maxa Plancka, który rozwinął ideę, że energia jest w małych pakietach zwanych kwantami, stała Plancka, H, odnosi energię jednego kwantu promieniowania elektromagnetycznego do jego częstotliwości za pomocą słynnego wzoru e = hv. Stała Plancka jest z kolei związana z masą przez Einsteina E = mc2. Obecnie h ma zmierzoną wartość około 6,62607 × 10-34 m2 kg s-1, ale metrolodzy chcą teraz ustalić jego wartość w kamieniu, przy czym kilogram jest zdefiniowany w kategoriach tej wartości.

będzie to zatem pożegnanie z IPK, który jest fizycznie niestabilnym obiektem, i pożegnanie z niepewnością wartości stałej Plancka. „Po redefinicji niezachwiana stała Plancka jest przytwierdzona do wartości, podczas gdy niepewność jest bardziej odpowiednio odprowadzana do masy IPK”, mówi Stephan Schlamminger, Metrolog z National Institute of Standards and Technology, US. „A przy stałej stałej deski, lepsze urządzenia będą w stanie zrealizować kilogram coraz dokładniej.”

Watt czy masz na myśli

aby zacząć od prawej stopy, ważne jest, aby wartość, przy której stała Plancka jest stała, była mierzona tak dokładnie, jak to obecnie możliwe. Odpowiedzialność ta spoczywa na pomiarach z dwóch bardzo Różnych rodzajów eksperymentów. Pierwszy z nich nazywa się Kibble balance, dawniej nazywany Watt balance, ale teraz przemianowany na cześć jego wynalazcy Bryana Kibble z brytyjskiego National Physical Laboratory, który zmarł w 2016 roku. Obecnie tylko Francja, Kanada i USA mają wagi karb zdolne do dokonywania pomiarów potrzebnych do ustalenia stałej Plancka. Jednak wiele innych pracuje nad własnym budowaniem równowagi. Podobnie jak zaawansowany technologicznie zestaw wag, Waga Kibble wykorzystuje siły elektromagnetyczne dostarczane przez cewkę drutu zanurzoną w polu magnetycznym, aby zrównoważyć kilogram masy. Urządzenie pozwala metrologom pobierać dokładne wartości prądu i napięcia, z których można uzyskać stałą Plancka (patrz ramka poniżej).

waga Kibble

co naprawdę? Waga Kibble (lub watt) składa się z okrągłej, poziomej cewki drutu o długości, L, zawieszonej na jednym ramieniu wagi. Cewka jest umieszczona w silnym polu magnetycznym, B, a przez nią przepuszczany jest prąd elektryczny, I, generujący siłę, F = BIL, którą można regulować tak, aby była równa masie masy umieszczonej na tym samym ramieniu wagi (mg). Masa jest wtedy podana przez m = BIL / g.

w czym problem? Chociaż mogę być dokładnie mierzony, trudno zrobić to samo dla B i L.

więc jakie jest rozwiązanie? Metrolodzy usuwają masę i przesuwają cewkę z prędkością u w polu magnetycznym, aby wygenerować napięcie V = BLu. Urządzenie jest nazywane wagą watową, ponieważ poprzez zmianę układu dwóch równań, moc elektryczna (VI) jest równoważona przez moc mechaniczną (mgu). Innymi słowy, m = VI / gu. Ponieważ u jest łatwe do zmierzenia, a g (przyspieszenie spowodowane grawitacją) jest dobrze znane, problemy z pomiarem B I L zniknęły.

ale jaki jest związek ze stałą Plancka, h? To jest sprytne. Prąd jest określany przez przepuszczenie go przez rezystor i użycie efektu Josephsona do pomiaru powstałego spadku napięcia. Efekt ten opisuje fakt, że jeśli dwa nadprzewodniki są oddzielone cienkim izolatorem, pary elektronów w każdej warstwie łączą się tak, że promieniowanie mikrofalowe o częstotliwości f tworzy napięcie w warstwie V = hf / 2e, gdzie e jest ładunkiem na elektronie. Rezystancję rezystora można zmierzyć, ponieważ przepływ elektronów w układach 2D w ultralownych temperaturach jest kwantyzowany, a przewodność wzrasta w wielokrotnościach e2/h.

więc dlaczego jest to dobre dla metrologii? Do tej pory waga granulatu mierzyła h w jednostkach SI. Ale kiedy definicja kilograma zostanie zmieniona, wartość liczbowa H zostanie ustalona w kamieniu, co pozwoli każdemu użyć wagi do pomiaru masy z wyjątkową precyzją.

drugi sposób pomiaru H nazywa się X-ray Crystal density (XRCD) lub eksperyment Avogadro. Obejmuje jednorodny kryształ atomów krzemu-28, który został obrobiony w niemal idealnie okrągłą kulę o wadze 1 kg. Korzystając z interferometrii optycznej, metrolodzy najpierw obliczają całkowitą średnicę – a tym samym objętość-kuli. Następnie, łącząc interferometrię optyczną z analizą rentgenowską, można obliczyć odstępy między atomami, objętość, którą każdy zajmuje, a tym samym całkowitą liczbę atomów w sferze. Wreszcie, ważąc kulę, mogą określić stałą Avogadro. Takie podejście określa, ile atomów lub cząsteczek znajduje się w jednym Molu substancji-ilości zupełnie innej niż masa, która teraz definiuje sam mol. Równanie z fizyki atomowej, które łączy stałe Avogadro i Plancka, pozwala na dokładne uchwycenie tej ostatniej wartości.

laboratoria na całym świecie wykorzystały te dwie różne techniki do pomiaru stałej Plancka z niezwykłą precyzją, aby uzyskać ostateczną,uzgodnioną wartość 6.626,070, 150 × 10-34 kg m2 s–1, ze względną niepewnością tylko 10 części na miliard (Metrologia 55 L13). Jeśli chodzi o stałą Avogadro, zostanie ona ustalona na 6,022,140,76 × 1023 mol–1. A gdy stałe Plancka i Avogadro zostaną ustalone, złożone eksperymenty, z których zostały uzyskane, mogą być używane jako standardy pomiaru kilograma i mola.

wpływ praktyczny

najprostszym sposobem na wyjaśnienie, jak to będzie działać, jest rozważenie równowagi Kibble. Do tej pory był używany do pomiaru dokładnych wartości prądu i napięcia, które są następnie podłączone do równań, aby uzyskać stałą Plancka. W przyszłości stała Plancka będzie stałą wartością, a te same pomiary dadzą masę na wadze. Innymi słowy, każdy, kto ma dostęp do wagi karmy, może osiągnąć idealny kilogram. Ta sama zasada będzie miała zastosowanie również do Ampera i Kelvina, które w przyszłości będą podane w kategoriach ładunku elektronu, e i stałej Boltzmanna, K, odpowiednio. Sprzęt zaprojektowany do precyzyjnego pomiaru tych podstawowych stałych zostanie teraz włączony do ich głowic, aby dokładnie zrealizować jednostki ampere i Kelvina (patrz ramka poniżej). Jeśli chodzi o metrum, second i candela, ich definicje zostaną poprawione, ale pozostaną skutecznie niezmienione.

poza metrologią, Nowa SI będzie miała niewielkie praktyczne konsekwencje i pozostanie niezauważona przez większość ludzi. Po tym wszystkim, jednostki mogą być zdefiniowane inaczej, ale celem jest zawsze zachować ich rozmiar taki sam. Jednak zdefiniowanie kilograma, Kelvina, Ampera i Kreta w zupełnie nowy sposób, oparty na stałych natury, czyni je niezmiennymi, dostępnymi i praktycznymi. Dlatego naukowcy bÄ ™ dÄ … w stanie mierzyÄ ‡ je w dowolnym miejscu i czasie i na kaĺľdä … skalÄ™.

„Po raz pierwszy będziemy mogli mierzyć małe i ogromne ilości z tą samą bardzo wysoką precyzją, ponieważ Podstawowe Stałe nie dbają o skalę”, dodaje Schlamminger. To ważne. Przed ponownym zdefiniowaniem metra długość mogła być mierzona tylko bardzo precyzyjnie w okolicach metra. Ale od czasu jego redefinicji, wysoce precyzyjne aplikacje, takie jak MikroElektronika, ogromnie skorzystały na dokładności, z jaką mogą mierzyć odległość w małych skalach.

podobnie nowy kilogram pozwoli na pomiar kilograma, grama i miligrama z identyczną dokładnością, nawet do tego stopnia, że masy atomowe będą mierzone w kilogramach. Tak długo, jak istnieje eksperymentalny związek ze stałą Plancka, masa będzie mogła być zmierzona. Dlatego też, metrolodzy ścigają się, aby zbudować wagi stołowe i nowe urządzenia, które mierzą masę dokładnie w dużych i małych skalach. Tak więc nowa jednostka masy i jednostki SI na ogół są w końcu odpowiednie dla XXI wieku i pozostaną tak długo w przyszłości. Jak trafnie podsumowuje Schlamminger: „Nowa SI jest konstrukcją piękna i logiki.”

• aby uzyskać więcej informacji na temat nowych definicji SI, sprawdź bezpłatny do czytania Fizyka World Discovery Ebook Redefiniowanie kilograma i innych jednostek SI przez Stephan Schlamminger w www.physicsworlddiscovery.org