la periferia Parisului, la opt metri sub pământ, într-o boltă controlată de climă, se află un cilindru din aliaj de platină vechi de 143 de ani. Având doar 39 mm înălțime, nu a fost niciodată atins de mâinile omului. Ca o păpușă rusă delicată, cilindrul este închis în interiorul a trei clopote de sticlă imbricate într-o cameră care poate fi accesată doar cu trei chei păstrate de trei persoane diferite. În jurul obiectului misterios se află „martorii”: șase cilindri” identici ” aruncați din același aliaj de platină.deși eforturile de conservare rivalizează cu cele ale Giulgiului din Torino, cilindrul nu este un obiect religios sacru. Este prototipul internațional Kilogram (IPK), singurul kilogram adevărat față de care sunt măsurate toate celelalte. Găzduit în Pavillon de Breteuil – acasă la Biroul Internațional de greutăți și măsuri (BIPM) – IPK își va pierde în curând statutul unic și va deveni o relicvă a unei epoci trecute. Apoi va fi la fel de ciudat ca International Prototype Meter (IPM) – o bară din aliaj de platină găzduită și la BIPM – care a servit ca metru oficial mondial până în 1960.

pe 16 noiembrie 2018 metrologii și factorii de decizie politică din 60 de țări din întreaga lume se vor reuni la Conferința Generală privind greutățile și măsurile (CGPM) din Versailles, Franța. Nimic neobișnuit acolo, deoarece întâlnirea se convoacă o dată la patru ani pentru a discuta bugetele și problemele din metrologie. Dar această întâlnire va fi specială. Statele membre vor vota dacă vor adopta cea mai amplă modificare a Sistemului Internațional de unități (Syst-ul internațional al Unităților (si) de la înființarea sa în 1960. Este o schimbare care va include noi definiții ale kelvinului, amperului și aluniței, dar poate cel mai semnificativ kilogramul.

fiecare stat membru își va exprima votul într-un proces care va fi transmis în direct online. Dacă schimbarea este ratificată (și toate semnele sunt că va fi) evenimentul va marca sfârșitul unităților bazate pe obiecte – o practică care datează de milenii. De asemenea, va îndeplini în cele din urmă o dorință exprimată pentru prima dată de James Clerk Maxwell, care a prezis că standardele de măsurare ar putea fi definite cumva de constante imuabile ale naturii.

o fundație solidă

vorbind la o întâlnire a Asociației Britanice pentru progresul științei din Liverpool în 1870, Maxwell le-a spus delegaților că „dacă…dorim să obținem standarde de lungime, timp și masă care vor fi absolut permanente, trebuie să le căutăm nu în dimensiuni, sau mișcare sau masa planetei noastre, ci în lungimea de undă, perioada de vibrație și masa absolută a acestor molecule nepieritoare și inalterabile și perfect similare.cu cei din interior care nu văd niciun indiciu al unui rezultat negativ la reuniunea BIPM din această lună, este sigur să presupunem că rezoluția de reformare a SI va trece fără opoziție și dorința lui Maxwell pentru standarde „absolut permanente” va fi realizată. Noul SI va intra în vigoare oficial la 20 Mai 2019, Exact la o duzină de zeci (144) de ani de la primul tratat internațional privind unitățile de măsură – Convenția metrului – care a fost semnat în aceeași zi în 1875. Dar de ce este atât de important ca unitățile să se bazeze pe constante ale naturii?

unitățile au fost un element esențial al societății încă din vremea vechilor egipteni. Ei au folosit diferite părți ale corpului uman sau obiecte din mediul lor ca scale prin care să măsoare lucrurile. Cu toate acestea, aceste standarde ar putea fi extrem de diferite de la un loc la altul. Pentru filozofii naturali din Europa secolului 17 și 18, variabilitatea unitară-în special în lungime și masă – a făcut aproape imposibilă compararea rezultatelor pentru același fenomen fizic dacă ar fi fost măsurat în locuri diferite.

s – au făcut diverse încercări de a crea o măsură universală și în 1799 Franța a introdus sistemul metric, bazat pe două unități-metrul și kilogramul. Cunoscute sub numele de metrul arhivelor și kilogramul Arhivelor, aceste două artefacte din platină au fost depozitate la Archives Nationales din Paris pentru a defini legal și practic unitățile. Aceste standarde au stat timp de 90 de ani până când au fost înlocuite de IPM și IPK, care au fost fizic mai grele și mai bine proiectate.

gândirea universală

unitățile SI s-au împletit în știință. De la joule care definește energia până la katal pentru măsurarea activității catalitice, toate cele 29 de unități SI numite pot fi definite printr-o combinație de doar șapte unități de bază: al doilea, metru, kilogram, ampere, kelvin, mol și candela. Dar, pe măsură ce știința a devenit din ce în ce mai precisă în secolul 20, o nouă problemă și-a ridicat capul. Orice unitate bazată pe ceva – un obiect, experiment sau fenomen – care nu este universal va fi instabilă.

luați în considerare al doilea. Este legat istoric de Revoluția Pământului, care este definită ca luând 24 de ore, unde o oră este de 60 de minute, iar un minut este de 60 de secunde. Dar ce se întâmplă dacă pământul începe să se rotească mai încet, așa cum se întâmplă, deși vreodată atât de ușor? O zi va fi mai lungă, ceea ce înseamnă că o secundă va fi mai lungă și în termeni reali. Înseamnă că o mașină care înregistrează 30 km / h va călători de fapt puțin mai încet, un bec de 30 W va fi puțin mai slab și, chiar mai absurd, universul se va extinde într-un ritm diferit. dacă, totuși, noțiunea și durata unei secunde sunt păstrate, dar rotația Pământului este îndepărtată din definiție și înlocuită cu ceva care nu se schimbă niciodată oriunde și ori de câte ori este măsurat în univers, al doilea devine stabil. Acest lucru a fost făcut în 1967, când al doilea a fost redefinit ca de 9.192.631.770 de ori perioada de radiație corespunzătoare tranziției dintre cele două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu-133, (A se vedea „o scurtă istorie a păstrării timpului” de Helen Margolis).

mai târziu, în 1983, contorul a fost, de asemenea,redefinit,ca lungimea căii parcurse de lumină în vid într-un interval de timp de 1/299, 792, 458 secunde. Precizia rafinată cu care oamenii de știință au reușit de atunci să măsoare timpul și distanța a beneficiat societatea, nu în ultimul rând, conducând la sisteme de poziționare bazate pe satelit, în special GPS.

Planck spre salvare

În ciuda faptului că a servit bine societății timp de 143 de ani, definirea kilogramului în termeni de un singur obiect este o noțiune inerent instabilă. Asta pentru că dacă IPK devine mai ușor sau mai greu, chiar și cu o cantitate mică, masa universului exprimată în kilograme se schimbă și ea – o propunere nebună. Mai degrabă îngrijorător, IPK s-a schimbat. Când metrologii au măsurat-o în 1988-1991, IPK a avut o masă cu aproximativ 50 de unqq mai mică în medie decât cei șase martori. Prin definiție, aceasta înseamnă că martorii au câștigat într-un fel o cantitate mică de masă, poate prin absorbția moleculelor de aer. Dar mai probabil – având în vedere că multe copii naționale ale kilogramului păreau, de asemenea, să câștige masă – este că IPK a pierdut masa. Sau poate că toți câștigaseră sau pierduseră masă, doar la rate diferite.

metrologii nu au mai văzut nicio deviere între IPK și martori din 1991 până în 2014, ultima dată când au fost făcute măsurători. Dar faptul că nu a existat nici o derivă nu a însemnat că masa IPK sau martorii nu s-au schimbat. Este posibil să fi pierdut sau să câștige masă în tandem. Și aceasta este problema: nu există nicio modalitate de a spune, deoarece masa este întotdeauna calibrată împotriva IPK.

„cu SI revizuit, nu va trebui să ne facem griji pentru aceste lucruri”, explică Richard Davis, fost șef al diviziei de masă a BIPM, care este acum consultant al Biroului. În loc să fie definit de masa unui cilindru de metal, în noul si kilogramul se va baza pe o constantă fundamentală a fizicii cuantice: Constanta Planck.numit după Max Planck, care a dezvoltat ideea că energia vine în pachete mici numite quanta, Constanta Planck, h, raportează energia unui cuantum de radiație electromagnetică la frecvența sa prin celebra formulă e = hv. Constanta Planck este la rândul ei legată de masă prin E = mc2 a lui Einstein. În prezent, h are o valoare măsurată de aproximativ 6,62607 oktt 10-34 m2 kg s–1, dar metrologii doresc acum să-i fixeze valoarea în piatră, kilogramul fiind definit în termenii acestei valori.

prin urmare, va fi la revedere de la IPK, care este un obiect instabil fizic, și la revedere de la incertitudinea în valoarea constantei lui Planck. „După redefinire, Constanta neclintită a lui Planck este fixată la o valoare, în timp ce incertitudinea este mai potrivită pentru masa IPK”, spune Stephan Schlamminger, metrolog de la Institutul Național de standarde și Tehnologie, SUA. „Și cu o constantă de scândură fixă, dispozitivele mai bune vor putea realiza un kilogram din ce în ce mai precis.”

Watt vrei să spui

pentru a începe cu piciorul drept, este important ca valoarea la care este fixată constanta lui Planck să fie măsurată cât mai precis posibil în prezent. Această responsabilitate se bazează pe măsurători din două tipuri foarte diferite de experimente. Primul dintre acestea se numește echilibru Kibble, numit anterior echilibru watt, dar acum redenumit în onoarea inventatorului său Bryan Kibble de la Laboratorul Național de Fizică din Marea Britanie, care a murit în 2016. În prezent, doar Franța, Canada și SUA au solduri de Kibble capabile să facă măsurătorile necesare pentru a fixa Constanta Planck. Cu toate acestea, mulți alții lucrează la construirea soldurilor proprii. Ca un set de cântare hi-tech, echilibrul Kibble folosește forțe electromagnetice furnizate de o bobină de sârmă cufundată într-un câmp magnetic pentru a echilibra o masă de kilogram. Echipamentul permite metrologilor să ia valori exacte ale curentului și tensiunii, din care poate fi derivată Constanta Planck (vezi caseta de mai jos).

echilibrul Kibble

ce este? Echilibrul Kibble (sau watt) constă dintr-o bobină circulară, orizontală de sârmă de lungime, L, atârnată de un braț al unui echilibru. Bobina este plasată într-un câmp magnetic puternic, B, și un curent electric, I, este trecut prin ea generând o forță, F = BIL, care poate fi reglată pentru a egala greutatea unei mase plasate pe același braț al balanței (mg). Masa este apoi dată de m = BIL / g.

care este problema? Deși pot fi măsurat cu exactitate, este greu să fac același lucru pentru B și L.

deci, care este soluția? Metrologii îndepărtează masa și deplasează bobina la viteza u în câmpul magnetic pentru a genera o tensiune V = BLu. Dispozitivul este denumit echilibru de wați deoarece, prin rearanjarea celor două ecuații, puterea electrică (VI) este echilibrată de puterea mecanică (mgu). Cu alte cuvinte, m = VI/gu. Deoarece u este ușor de măsurat și g (accelerația datorată gravitației) este bine cunoscută, problemele cu măsurarea B și L au dispărut.

dar care este legătura cu constanta Planck, h? Asta e partea deșteaptă. Curentul este determinat prin trecerea acestuia printr-un rezistor și folosind efectul Josephson pentru a măsura scăderea rezultată a tensiunii. Acest efect descrie faptul că, dacă doi supraconductori sunt separați de un izolator subțire, perechi de electroni din fiecare strat se cuplează astfel încât radiația cu microunde de frecvență, f, creează o tensiune pe stratul de V = hf/2e, unde e este sarcina pe electron. Rezistența rezistorului poate fi măsurată deoarece fluxul de electroni în sistemele 2D la temperaturi ultralow este cuantificat, conductivitatea crescând în multipli de e2/h.

deci, de ce este acest lucru bun pentru metrologie? Până în prezent, un echilibru Kibble măsurat h în unități SI. Dar când definiția kilogramului este schimbată, valoarea numerică a lui h va fi fixată în piatră, permițând oricui să folosească echilibrul pentru a măsura masa cu o precizie rafinată.

al doilea mod de măsurare a h se numește densitatea cristalelor cu raze X (XRCD) sau experimentul Avogadro. Aceasta implică un cristal uniform de siliciu-28 de atomi care a fost prelucrat într-o sferă aproape perfect rotundă de 1 kg. Folosind interferometria optică, metrologii calculează mai întâi diametrul total – și, prin urmare, volumul – sferei. Apoi, prin combinarea interferometriei optice cu analiza cu raze X, pot calcula distanța dintre atomi, volumul pe care îl ocupă fiecare și, astfel, numărul total de atomi din sferă. În cele din urmă, prin cântărirea sferei, ei pot determina Constanta Avogadro. Această abordare definește câți atomi sau molecule există într – un mol al unei substanțe-o cantitate destul de diferită de masă, care va defini acum alunița în sine. O ecuație din fizica atomică care leagă constantele Avogadro și Planck permite apoi captarea unei valori precise a acesteia din urmă.

laboratoarele din întreaga lume au folosit aceste două tehnici diferite pentru a măsura Constanta Planck cu o precizie extraordinară pentru a da o valoare finală, convenită,de 6.626.070.150 de 10-34 kg m2 s–1,cu o incertitudine relativă de numai 10 părți pe miliard (2018 Metrologia 55 L13). În ceea ce privește Constanta Avogadro, aceasta va fi fixată la 6.022,140,76 centimetrii 1023 mol–1. Și odată ce constantele Planck și Avogadro sunt fixate, experimentele complexe din care au fost derivate pot fi folosite ca standarde pentru măsurarea unui kilogram și a unui mol.

impact practic

cel mai simplu mod de a preciza modul în care acest lucru va funcționa este să ia în considerare echilibrul Kibble. Până în prezent, a fost folosit pentru a măsura valorile exacte ale curentului și tensiunii care sunt apoi conectate la ecuații pentru a obține Constanta Planck. În viitor, Constanta Planck va fi o valoare fixă și aceleași măsurători vor produce în schimb masa pe sold. Cu alte cuvinte, oricine are acces la un echilibru Kibble poate realiza un kilogram perfect. Același principiu se va aplica și amperului și kelvinului, care va fi dat în viitor în ceea ce privește sarcina pe un electron, e, și constanta Boltzmann, k, respectiv. Echipamentele concepute pentru a măsura cu precizie aceste constante fundamentale vor fi acum întoarse pe cap pentru a realiza cu exactitate unitățile ampere și kelvin (a se vedea caseta de mai jos). În ceea ce privește metrul, al doilea și candela, definițiile lor vor fi modificate, dar vor rămâne efectiv neschimbate.