la patruzeci de metri sub pământ în Gaithersburg, Maryland, într-un laborator alb strălucitor care necesită trei chei separate pentru a intra, Statele Unite stochează o colecție prețioasă de cilindri metalici mici, strălucitori, care definesc literalmente masa tuturor lucrurilor din această țară.

sunt frumoase, cu finisaje în oglindă și trebuie să rezist dorinței de a le atinge. Dacă le-aș atinge, le-aș putea contamina cu ulei din piele și le-aș putea crește greutatea. Patrick Abbott,” Păstrătorul kilogramului ” de aici de la National Institutes of Standards and Technology (NIST), îmi spune că acest lucru ar fi foarte rău.

în prezent, kilogramul are o definiție foarte simplă: este masa unei bucăți de aliaj de platină-iridiu, care a fost găzduită la Biroul Internațional de greutăți și măsuri din S. U. V. V., Franța din 1889. Se numește Kilogram prototip internațional (alias. Big K, sau le Grand K), și are multe copii în întreaga lume — inclusiv șapte la NIST în Gaithersburg — care sunt folosite pentru a calibra cântare și asigurați-vă că întreaga lume este pe un singur sistem de măsurare.

Iată unul dintre exemplarele de la NIST, numit K4, forjat din aceeași bucată de metal din care Big K a fost creat în secolul al 19-lea.

uită-te bine la ea. Pentru că foarte curând, acest standard de 129 de ani pentru kilogram se va schimba.vineri, oamenii de știință din întreaga lume s-au întâlnit la Conferința Generală privind greutățile și măsurile de la Versailles, Franța, și au votat pentru schimbarea definiției unui kilogram, legând-o de o constantă universală în natură. Modificarea va intra în vigoare pe 20 Mai 2019.

un motiv important pentru schimbare este că Big K nu este constant. A pierdut aproximativ 50 de micrograme (aproximativ masa unei gene) de când a fost creată. Dar, frustrant, când Big K pierde masa, este încă exact un kilogram, conform definiției actuale.

când Big K se schimbă, orice altceva trebuie să se adapteze. Sau chiar mai rău: dacă Big K ar fi furat, sistemul nostru mondial de măsurare a masei ar fi aruncat în haos.

cu votul de vineri, oamenii de știință de măsurare de top din lume au ales să aplice kilogramul la Constanta Planck, un concept fundamental în mecanica cuantică care nu se poate schimba niciodată — aici pe pământ sau în adâncurile universului.

aceasta este mai mult decât o victorie științifică. Este și unul filosofic, așa cum am învățat de la oamenii de știință NIST care lucrează de ani de zile la redefinire și numesc acest moment cel mai interesant moment al întregii lor cariere.

cu noua definiție , Conferința Generală privind greutățile și măsurile completează visul original al sistemului metric, care a fost îmbrățișat în mijlocul revoluției franceze. Sistemul metric-care a evoluat în Sistemul Internațional de unități, sau SI-a fost conceput pentru a fi „pentru toate timpurile, pentru toți oamenii.”

” obiectele se schimbă întotdeauna”, spune Stephan Schlamminger, un om de știință NIST implicat în redefinire. Cu noua definiție, spune el,” trecem de la un obiect „de pe Pământ” la lucrurile care se află în ceruri.”

și asta merită sărbătorit. Într-o lume în care totul pare întotdeauna în flux, acești oameni de știință s-au asigurat acum că kilogramul nu se va schimba niciodată.

o scurtă istorie a kilogramului

De unde știi ce cântărește ceva? Știu, există un răspuns evident: îl pui pe o scară.

dar când mergi la un magazin alimentar și cântărești un pachet de mere, cum știe acea scară cum se simte un kilogram de fructe?

pentru ca măsurătorile de masă să aibă sens, avem nevoie de un punct fix de comparație. Aceste mere trebuie să cântărească mai mult sau mai puțin decât ceva. Pentru a evita haosul și pentru a permite economiei noastre să funcționeze, acel ceva trebuie recunoscut universal.

cântarul din magazinul dvs. alimentar a fost calibrat cu o greutate care a fost calibrată cu o greutate care a fost calibrată cu o greutate și așa mai departe. Și toate aceste calibrări urme înapoi la dreapta aici, în măruntaiele NIST. Greutățile și măsurile consistente contează mai mult decât alimentele: Imaginați-vă dacă Boeing nu ar putea să-și dea seama exact ce cântărește un avion sau dacă industria farmaceutică nu ar putea determina masa exactă a unei doze mici, potențial letale, de medicamente.

în Statele Unite, încă folosim unități imperiale: lire și uncii. Dar, de fapt, toate măsurătorile noastre sunt derivate din Sistemul Internațional de unități, sau SI, care folosește metri și kilograme ca unități fundamentale de lungime și masă.

când vine vorba de masă în SUA, totul se întoarce la acești cilindri în formă de puc, care sunt prelucrați cu precizie pentru a cântări 1 kilogram. Oficial, în SUA, 1 kilogram este definit ca 0,45359237 kilograme. Un picior este definit ca 0,3048 metri.

dar sistemul nu a fost întotdeauna atât de ordonat. Înainte de Revoluția franceză și inventarea sistemului metric, sistemele de greutăți și măsuri din întreaga lume erau o mizerie haotică și indisciplinată.”Imaginează-ți o lume în care de fiecare dată când călătorești trebuia să folosești conversii diferite pentru măsurători, așa cum facem noi pentru monedă”, explică Madhvi Ramani de la BBC. „Acesta a fost cazul înainte de Revoluția franceză de la sfârșitul secolului al 18-lea, unde greutățile și măsurile variau nu numai de la națiune la națiune, ci și în interiorul națiunilor.”

Revoluția franceză era pe cale să răstoarne ierarhiile vechi, arhaice, haotice rămase din epoca feudală și să refacă societatea cu principii egalitare în minte.

inspirați de revoluție, oamenii de știință de la acea vreme au dorit să înceapă de la început pe un nou sistem de măsurare consistent, bazându-se pe unități nu pe mandate arbitrare din partea regilor, ci pe natură. Scopul a fost crearea unui sistem de măsurare „pentru toate timpurile, pentru toți oamenii.”

astfel, când Biroul Internațional de greutăți și măsuri a fost fondat în Franța la sfârșitul anilor 1800, contorul — unitatea standard de lungime — a fost creat pentru a fi o zece milioane din Distanța de la Polul Nord la ecuator. Gramul se inspiră din densitatea apei: este aproximativ egal cu masa de 1 centimetru cub de apă deținută la 4 centimetrii C.

pentru a disemina aceste noi unități — pentru a se asigura că toată lumea din lume le — a înțeles-inventatorii sistemului metric au decis să creeze obiecte fizice pentru a le întruchipa și defini. Au creat o bară metalică pentru a avea exact 1 metru lungime. Au creat Big K pentru a reprezenta masa de 1 kilogram sau 1.000 de grame.din secolul al 19-lea, toate relicvele fizice ale vechiului sistem metric au fost înlocuite cu măsurători aplicate forțelor constante ale naturii. Contorul a fost definit inițial ca o proporție din dimensiunea Pământului. Dar nici măcar forma lumii nu este permanentă. La naiba, pământul s-ar putea să nu fie chiar permanent. Deci, astăzi, contorul este definit de viteza luminii. Al doilea este aplicat mișcării atomilor elementului cesiu.

doar kilogramul este încă definit de un obiect fizic, deocamdată.

deci, care este această nouă definiție a kilogramului? Pregătiți-vă, pentru că este un pic de doozy.

știința redefinirii kilogramului în ceea ce privește Constanta Planck, a explicat

votul de vineri la Conferința Generală privind greutățile și măsurile a fost adoptat în unanimitate. Dar modificările nu vor intra în vigoare până în Mai 2019. Când vine schimbarea, iată cum va fi definit kilogramul în Sistemul Internațional de unități:

kilogramul, simbolul kg, este unitatea de masă SI. Se definește prin luarea valorii numerice fixe a Constantei Planck h la 6.626 070 15 10-34, atunci când este exprimată în unitatea J s, Care este egală cu kg m2 s -1 , unde contorul și cel de-al doilea sunt definite în termeni de C și VC-uri.

Ce naiba?

este mult mai greu de explicat decât o bucată de metal în Franța. Dar să încercăm.

practic, Conferința Generală privind greutățile și măsurile va stabili valoarea constantei Planck, care descrie modul în care cei mai mici biți de materie eliberează energie în pași sau bucăți discrete (numite cuante).

odată cu votul de vineri, Constanta Planck va fi stabilită acum și pentru totdeauna ca 6.62607015 10-34 m2 kg / s. și din această valoare fixă a Constantei Planck, oamenii de știință pot obține masa unui kilogram.

acest efort de redefinire a durat zeci de ani, deoarece constanta Planck este minusculă (începe cu un punct zecimal și este urmată de 33 de zerouri) și a trebuit calculată până la o marjă de eroare super-minusculă. Lucrarea a necesitat măsurători atente cu o mașină incredibil de complicată numită Kibble balance (mai multe despre cele de mai jos), precum și observații ale unei sfere extrem de rotunde de siliciu.

această explicație ar putea părea vagă. Și este. Dar pentru a — l aprecia mai bine, este util să ne uităm la modul în care contorul — unitatea standard de lungime a lumii-a fost redefinit în termeni de viteză a luminii ca exemplu de ce a fost necesar acest lucru.

contorul a fost definit inițial ca lungimea unei bare la Biroul Internațional de greutăți și măsuri din Franța. (Apoi a fost redefinit pentru a fi egal cu o anumită lungime de undă a radiației.) Din nou, problema cu această definiție a fost imprecizia ei. Nu s-a bazat pe proprietățile neschimbate ale universului.

viteza luminii, pe de altă parte, este de 299.792.458 metri pe secundă. Indiferent unde vă aflați, cred oamenii de știință, rămâne la fel. (Cel puțin, în cazul în care se schimbă, care ar upend cele mai multe tot ceea ce știm despre fizica.)

până în 1983, fizicienii deveniseră foarte buni la măsurarea vitezei luminii. Așa că au folosit-o pentru a fixa lungimea contorului pentru totdeauna, pentru ao face permanentă. Iată cum: au redefinit contorul pentru a fi egal cu distanța parcursă de lumină într-un vid în 1/299,792,458 de secundă. În esență, definiția contorului este acum coaptă în definiția vitezei luminii.

există o poezie în acest sens: oamenii de știință au luat contorul — o măsurare arbitrară a lungimii inventată de oameni — și l-au aplicat pe o constantă universală. Măsurătorile noastre umane dezordonate au depășit umanitatea lor dezordonată; au fost contopite cu un adevăr etern.

noul contor definit de lumină are aceeași lungime ca vechiul standard de contor din Paris. Dar, spre deosebire de vechiul standard din Paris, acum definiția contorului nu se poate schimba niciodată.

același lucru se întâmplă cu constanta Planck. La fel ca viteza luminii, Constanta Planck este un adevăr universal care nu se va schimba niciodată.

prin stabilirea unei valori finale a Constantei Planck — ale cărei unități includ kilogramul, la fel ca unitățile vitezei luminii includ contorul — dimensiunea unui kilogram este pentru totdeauna stabilă. De asemenea, vă puteți gândi astfel: kilogramul a fost ancorat la Constanta Planck, unde se va odihni, pentru totdeauna.

(poate că dacă ați citit îndeaproape, ați observat că există o problemă de pui și ouă aici. Cum căutați să definiți un contor în ceea ce privește viteza luminii dacă măsurătorile dvs. privind viteza luminii conțin și unitatea „metru”? Este același lucru pentru Constanta Planck: conține kilograme în unitățile sale. Răspuns scurt: acesta este motivul pentru care oamenii care lucrează la aceste probleme au doctorate.)

echilibrul Kibble este mașina care face toate acestea posibile

redefinirea kilogramului în termeni de Planck a fost o provocare imensă, una care a durat decenii pentru a fi finalizată.

în primul rând, oamenii de știință trebuiau să poată măsura Constanta Planck într-un grad extrem de precis. Dacă estimarea noastră a vitezei luminii ar avea o marjă mare de eroare, nu ar fi o ancoră fiabilă pentru a măsura un metru. Același lucru este valabil și pentru Planck.

de zeci de ani, oamenii de știință de la NIST, precum și alte câteva laboratoare din întreaga lume, au folosit o mașină numită Kibble balance (denumită uneori echilibrul watt) pentru a măsura cu precizie Constanta Planck într-un grad suficient de atent încât să poată fi folosit pentru a redefini kilogramul.

la fel ca standardele kilogramelor, echilibrul Kibble este adăpostit adânc în subteran la NIST. Este construit pe o podea de beton care poate pluti literalmente deasupra fundației clădirii pentru a izola mai bine echipamentul său sensibil de orice vibrații din restul instalației. Trebuie să port o plasă de plastic peste păr și pantofi pentru a merge să o văd, deoarece orice bucată de resturi ar putea să o arunce din calibrare.

dacă victorienii ar fi construit o mașină a timpului și ar fi parcat-o într-o fabrică de bere, mi-aș imagina că ar arăta cam așa.

echilibrul Kibble funcționează oarecum ca un simplu echilibru de masă. Imaginați-vă că doamna Justiție o ține în mână: are două tigăi care se echilibrează într-un punct central. Un echilibru simplu compară două greutăți pe fiecare dintre tigăi, cu scopul de a le echivala.

echilibrul Kibble — numit după inventatorul său târziu, fizicianul britanic Bryan Kibble — face ceva similar, dar cu o răsucire mecanică cuantică. Acesta echivalează energia mecanică exercitată de masa unui obiect cu o cantitate echivalentă de energie electrică.

formula bilanțului Kibble randamentele pentru a echivala masa și puterea electrică este complicată. (Oamenii de știință NIST m-au adus pe tabla albă prezentată mai jos pentru a explica.)