Запертый в хранилище, для открытия которого требуется три ключа, в городе Севр, к юго-западу от Парижа, есть килограмм. На самом деле, это Килограмм, Международный Прототип Килограмма (ИПК), килограмм, против которого должны измеряться все остальные килограммы, Le Grand K. Этот цилиндр из платино-иридиевого сплава находится под тремя защитными стеклянными колоколами, в контролируемой температуре и влажности, в сейфе вместе с шестью официальными копиями в подземном хранилище Севра.
«Если бы вы бросили его, это все равно было бы килограммом, но масса всего мира изменилась бы», - говорит Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд.
ИПК выходит из своего хранилища примерно каждые 40 лет, когда слиток размером с мяч для гольфа, точно по килограмму по определению с 1889 года, используется для калибровки копий, которыми делятся страны во всем мире. Но есть проблема. В хранилище с ИПК находятся шесть тем или «свидетелей» - официальных копий. За прошедшие годы, о чем свидетельствуют редкие случаи, когда Le Grand K и его свидетели измерялись, масса ИПК «сместилась».
Международный Прототип Килограмма (ИПК). (Фото любезно предоставлено BIPM) Большинство свидетелей сейчас весят чуть больше - в микрограммах или миллионных долях грамма - чем IPK (хотя многие из копий были более массивными с самого начала). Вы можете сказать, что ИПК теряет массу, только вы не можете этого сказать, потому что ИПК неизменно и неизменно составляет один килограмм . Кроме того, физики даже не знают, теряет ли ИПК массу или набирает массу в долгосрочной перспективе, просто она медленно дрейфует из-за незаметного количества материала, скопившегося из воздуха, или стерлась во время взвешивания, или испачкалась на поверхности. Серебристая поверхность ИПК во время одной из ее дотошных ванн.
Как вы можете себе представить, этот мелкий дрейф вызывает у ученых много головных болей, не говоря уже о отраслях, которые полагаются на небольшие и точные измерения массы, таких как фармацевтические компании.
«В настоящее время килограмм определяется с точки зрения массы конкретной вещи», - говорит Ян Робинсон из Национальной физической лаборатории (NPL) в Южном Лондоне. «И если эта вещь будет разрушена или изменена или что-то еще, это неловко».
Один из платиново-иридиевых копий NIST IPK, K92, с массой килограмма из нержавеющей стали на заднем плане. (Дженнифер Лорен Ли / NIST) К счастью, у метрологов мира есть решение: переопределить килограмм с точки зрения естественной универсальной постоянной. Большинство единиц в Международной системе единиц (СИ) уже определены в соответствии с универсальными константами, такими как метр, который официально является длиной, пройденной со скоростью света в вакууме в 1/299 792 458-й секунды. Конечно, это определение опирается на второе, которое определяется как продолжительность 9 192 631 770 периодов определенной частоты электромагнитного излучения (в данном случае микроволн), которая вызывает переход внешнего электрона атома цезия-133 (переключение с кванта измерение «раскручивать» до «раскручивать» или наоборот).
Но килограммы, последний оставшийся блок определяется артефактом, упорно сопротивлялись не переосмысление-до сих пор. 16 ноября на 26-м заседании Генеральной конференции по мерам и весам делегаты из 60 государств-членов соберутся в Севре, чтобы проголосовать за переопределение килограмма в соответствии с постоянной Планка - числом, которое связывает частоту волны света с энергия фотона в этой волне. И, по словам Ричарда Дэвиса, физика из Международного бюро мер и весов (BIPM), «они ожидают существенного большинства».
(ОБНОВЛЕНИЕ: 20 мая 2019 года официально вступили в силу изменения в Международной системе единиц, включая новые определения для килограмма, ампера, кельвина и моля.)
Макс Планк и Альберт Эйнштейн
В 1879 году ИПК учредила компания по производству драгоценных металлов Джонсон Матти в Лондоне, 20-летний Макс Планк защитил диссертацию « О втором законе термодинамики», и на свет появился Альберт Эйнштейн. Хотя двое ученых не знали об этом в течение своей жизни, их коллективная работа по фундаментальной физике гравитации и квантовой механике заложила бы основу для определения килограмма в 21-м веке.
Так что же такое постоянная Планка? «На фундаментальном уровне сложно сказать», - говорит Дэвис.
Константа Планка очень мала: 6, 62607015 x 10 -34, если быть точным, как будет официально определено на встрече 16 ноября. В 1900 году Макс Планк вычислил число для подбора моделей света, исходящего от звезд, сопоставляя энергию и температуру звезд с их спектрами электромагнитного излучения (все вместе известное как излучение черного тела). В то время экспериментальные данные предполагали, что энергия не является свободно текущей при любом значении, а скорее содержится в пучках или квантах - от которых квантовая механика берет свое название - и Планку необходимо было рассчитать значение для этих пучков, чтобы соответствовать его моделям излучения черного тела.
Пять нобелевских лауреатов, слева направо: Вальтер Нерст, Альберт Эйнштейн, Макс Планк, Роберт Милликен и Макс фон Лауэ, собрались на обед, устроенный фон Лауэ в 1931 году. (Public Domain) Пять лет спустя Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию специальной теории относительности, которая стала бы выражаться в виде знаменитого уравнения E = mc 2 (энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате, прозрение о том, что энергия фундаментально связана во всех дело вселенной). Он также рассчитал теоретическое значение единственного фундаментального кванта электромагнитной энергии - теперь известного как фотон - что привело к соотношению Планка-Эйнштейна, E = h v . Уравнение утверждает, что энергия фотона (E) равна постоянной Планка (h), умноженной на частоту электромагнитного излучения ( v, что является греческим символом nu, а не «v»).
«Вы знаете, что у вас есть энергия фотона, которая равна h v, но вы также знаете, что у вас есть энергия массы, которая равна mc 2 . [Итак], E = h v = mc 2 . Здесь вы можете увидеть, как вы можете получить массу из h [постоянная Планка], v [частота волны] и c [скорость света] », - говорит Дэвид Ньюэлл, физик из NIST.
Но это не единственное место, где появляется постоянная Планка. Число необходимо для описания фотоэлектрического эффекта, на котором основаны солнечные элементы. Он также используется в модели атома Нильса Бора и даже появляется в принципе неопределенности Гейзенберга.
«Это все равно что сказать, ну, а как насчет Пи?» - говорит Дэвис. «Что такое Пи? Ну, это окружность круга, деленная на диаметр круга. Но тогда Пи появляется везде в математике. Это повсюду.
Ключ, соединяющий постоянную Планка с килограммом, - это ее единица измерения, джоуль-секунда или Дж · с. Константа получает эту уникальную единицу, потому что энергия измеряется в джоулях, а частота измеряется в герцах (Гц) или циклах в секунду. Джоуль равен килограмму, умноженному на квадратные метры, деленные на квадратные секунды (кг · м 2 / с 2 ), поэтому при нескольких хитрых измерениях и расчетах можно получить килограмм.
Но прежде чем вы сможете убедить мир изменить определение стандартной единицы массы, ваши измерения должны быть лучшими за всю историю науки. И, как выразился Ньюэлл, «измерить что-то абсолютное чертовски сложно».
Мера за меру
Мы часто принимаем как должное, что секунда - это секунда, или метр на метр. Но для большей части человеческой истории такие меры времени, длины и массы были довольно произвольными, определяемыми в соответствии с прихотями местных обычаев или правителей. Один из первых указов о необходимости стандартизации национальных измерений был принят в Великой хартии вольностей в 1215 году, в которой говорится:
«Пусть в нашем королевстве будет один показатель для вина, один для эля и один показатель для кукурузы, а именно« лондонский квартал »; и одна ширина для тканей, окрашенных, красновато-коричневых или алебергетических, а именно - две ячейки внутри кромок. Пусть с весами будет так же, как с мерами ».
Но после Просвещения, когда ученые начали распутывать физические ограничения вселенной, стало очевидно, что различные стандарты измерения представляют собой серьезное препятствие для развития вида. Ученые распространились по всему земному шару в 18-м и 19-м веках, измеряя все от точной формы Земли до расстояния до Солнца - и каждый раз, когда немецкого лактера (около двух метров, в зависимости от региона) сравнивали с английским двор (который также варьировался на протяжении большей части его существования), неопределенности и недопонимания было много.
Копия первого метра стандарта, запечатанного в фундамент здания по адресу 36 rue de Vaugirard, Paris. (Кен Экерт / Wikimedia Commons CC 4.0) У французов наконец произошла революция - не только политики, но и мер. К концу 18-го века во Французском королевстве, по оценкам, насчитывалось около четверти миллиона различных единиц, что делало невозможным отслеживать их все. По настоянию Национального Учредительного Собрания, которое сформировалось в начале Французской революции, Французская Академия наук намеревалась установить новую единицу длины, которая станет официальной мерой для страны: метр, определяемый как одна десятитысячная расстояния от Северного полюса до экватора.
Исследовательская экспедиция под руководством французских математиков и астрономов Жана Батиста Жозефа Деламбра и Пьера Мешена триангулировала расстояние части этой длины, простирающейся от Дюнкерка до Барселоны, для расчета нового метра. Измерения были завершены в 1798 году, и новый стандарт был вскоре принят во Франции.
Метр стал представлять собой основную единицу измерения, определяющую литр (1000 кубических сантиметров) и даже килограмм (масса одного литра воды). К 1875 году мир был готов принять метрическую систему, и в Метрической конвенции того года представители 17 стран подписали Договор метра, создав Международное бюро мер и весов и предусмотрев новые стандарты массы и длины для отлито из платино-иридиевого сплава, определяя метр и килограмм для всего мира.
Но поскольку волна ученых 20-го века, таких как Планк и Эйнштейн, начала тыкать и подталкивать к ньютоновской структуре физики, открывая новые законы между просторами космоса и основами атома, систему мер необходимо было соответствующим образом обновить, К 1960 году была опубликована Международная система единиц (СИ), и страны во всем мире создали метрологические учреждения для постоянного уточнения официальных определений наших семи базовых единиц измерения: метр (длина), килограмм (масса), секунда (время) ), ампер (электрический ток), кельвин (температура), моль (количество вещества) и кандела (светимость).
Сфера Авогадро из чистых атомов кремния-28. Измеряя объем сферы и объем одного атома кремния-28, метеорологи могут измерять массу одного атома в сфере, предоставляя метод для расчета количества атомов в моле, называемый числом Авогадро, который может использоваться для расчета постоянной Планка. (Фото любезно предоставлено BIPM) Из этих базовых единиц могут быть рассчитаны все остальные единицы. Скорость измеряется в метрах в секунду, которая может быть преобразована в мили в час и другие скорости; вольт измеряется в терминах тока и сопротивления в омах; и определение ярда теперь пропорционально 0, 9144 метра.
Сегодня, как и в 18 веке, вопрос уточнения таких измерений находится на переднем крае научных возможностей. Хотя переопределение килограмма вряд ли изменит вашу повседневную жизнь, конечный эффект определения более точной системы измерения часто широко распространен и глубок.
Взять, к примеру, второе. С 1967 года определение секунды основывалось на частоте микроволнового лазера, и без этой точности технология GPS была бы невозможна. Каждый спутник GPS имеет атомные часы, критически важные для исправления того факта, что время проходит на наших спутниках бесконечно, но заметно медленнее, когда они вращаются вокруг Земли на высоких скоростях - эффект, предсказанный теорией относительности Эйнштейна. Без нового определения мы не смогли бы исправить эти крошечные доли секунды, и по мере их роста измерения GPS будут отклоняться все дальше и дальше от курса, превращая все, от Google Maps до боеприпасов с GPS-навигатором, только научную фантастику.
Отношения между вторым и GPS показывают фундаментальное переплетение метрологии и науки: развитие исследований требует и допускает новые стандарты измерения, а эти новые стандарты измерения, в свою очередь, позволяют проводить более сложные исследования. Где этот цикл, в конечном счете, унесет наш вид, неизвестно, но после смерти измерительного бара и отказа от второго, как определено долей дня, ясно одно: ИПК следует за гильотиной.
Баланс Киббл
Весы NIST-4 Kibble, управляемые Национальным институтом стандартов и технологий. В отличие от предыдущих весов Kibble, NIST-4 использует колесо баланса, которое работает как шкив, а не как балка. Баланс измерял постоянную Планка с точностью до 13 частей на миллиард. (Дженнифер Лорен Ли / NIST) Физики десятилетиями знали, что килограмм может быть определен в терминах постоянной Планка, но только недавно метрология была достаточно продвинутой, чтобы измерять число с такой точностью, что мир примет новое определение. К 2005 году группа ученых из NIST, NPL и BIPM, которую Ньюэлл называет «бандой пяти», начала продвигать эту проблему. Их статья по этому вопросу называется « Переопределение килограмма: решение, время которого пришло» .
«Я считаю это вехой, - говорит Ньюэлл. «Это было очень провокационно - это раздражало людей».
Одной из ключевых технологий для измерения постоянной Планка, определенной в статье, является баланс ватт, впервые концептуализированный Брайаном Кибблом в NPL в 1975 году. (После его смерти в 2016 году баланс ватт был переименован в баланс Киббла в честь Брайана Киббла).
На фундаментальном уровне баланс Киббла - это эволюция технологии, насчитывающей более 4000 лет: масштабы баланса. Но вместо того, чтобы сопоставлять один объект с другим, баланс Киббла позволяет физикам взвесить массу против количества электромагнитной силы, необходимой для его удержания.
«Баланс работает, пропуская ток через катушку в сильном магнитном поле, и это генерирует силу, и вы можете использовать эту силу, чтобы уравновесить вес массы», - говорит Ян Робинсон из NPL, который работал с Брайаном Кибблом над первый ватт баланс с 1976 года.
Весы работают в двух режимах. Первый, взвешивающий или силовой режим, уравновешивает массу против равной электромагнитной силы. Второй режим, режим скорости или калибровки, использует двигатель для перемещения катушки между магнитами, пока масса не находится на балансе, генерируя электрическое напряжение, которое дает вам напряженность магнитного поля, выраженную как мера электрической силы. В результате сила массы в режиме взвешивания равна электрической силе, создаваемой в режиме скорости.
Электрическая сила может быть рассчитана как функция постоянной Планка благодаря работе двух нобелевских физиков, Брайана Джозефсона и Клауса фон Клитцинга. В 1962 году Джозефсон описал квантовый электрический эффект, связанный с напряжением, а фон Клитцинг открыл квантовый эффект сопротивления в 1980 году. Два открытия позволяют рассчитать электрическую силу баланса Киббла в терминах квантовых измерений (используя постоянную Планка), что, в свою очередь, приравнивается к массе килограмма.
В дополнение к балансу Киббла, статья «банды пяти» посвящена еще одному способу вычисления постоянной Планка - созданию сфер из практически чистого атома кремния-28, самых совершенных круглых объектов, когда-либо созданных человечеством. Объем и масса отдельного атома в сфере могут быть измерены, что позволяет метрологам и химикам уточнить постоянную Авогадро (число объектов - один моль), а из числа Авогадро можно вычислить Планка с помощью уже известных уравнений.
«Вам нужно сделать это двумя способами, чтобы получить уверенность в том, что в одном методе нет скрытой проблемы», - говорит Робинсон.
Белая доска в NIST объясняет, как баланс Киббла может приравнять механическую меру (вес килограмма к массе) к электрической мере (сила электрического тока, необходимого для поддержания килограмма, выраженная как функция постоянной Планка). (Джей Беннетт) Чтобы переопределить килограмм, изменение, которое будет внесено 20 мая 2019 года, Генеральная конференция по весам и мерам потребовала как минимум три эксперимента для расчета постоянной Планка с неопределенностью не более 50 частей на миллиард, один из который должен рассчитать значение с точностью до 20 частей на миллиард. Усилия международного кремниевого сектора стали достаточно точными, чтобы достичь неопределенности только в 10 частей на миллиард, и четыре измерения баланса Киббла также дали значения в пределах требуемой неопределенности.
И в результате всех этих мер намного больше, чем килограмм собирается измениться.
Новая международная система единиц
Больше, чем переопределение килограмма, 26-е заседание Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) устанавливает фиксированное значение для постоянной Планка и, как следствие, принимает крупнейшее преобразование Международной системы единиц с момента ее создания в 1960 году. Ранее постоянная Планка непрерывно измерялась, усреднялась по другим измерениям по всему миру, и каждые несколько лет исследовательские институты передавали список новых значений.
«Никто не будет измерять постоянную Планка после того, как пройдет это [голосование], потому что ее значение будет определено», - говорит Дэвис.
В дополнение к постоянной Планка, постоянная Авогадро будет установлена на фиксированное значение, как и элементарный заряд ( е, заряд одного протона), и тройная точка воды (температура, при которой вода может существовать в виде твердого вещества. жидкость или газ, должны быть определены как 273, 16 градусов Кельвина или 0, 01 градуса C).
Установив постоянную Планка в качестве абсолютного значения, ученые отворачиваются от обычных механических измерений и применяют набор квантовых электрических измерений для определения наших основных единиц. Как только константа определена, ее можно использовать для расчета диапазона масс от атомного уровня до космического, оставляя после себя необходимость масштабировать ИПК до более мелких измеримых частей или до огромных масс.
«Если у вас есть артефакт, вы привязываете весы только в одной точке», - говорит Шламмингер. «А фундаментальная константа не заботится о масштабе».
Ян Робинсон с балансом Марка II Киббла. Построенный Национальной физической лабораторией (NPL) в Великобритании, Mark II был позже приобретен Национальным исследовательским советом (NRC) Канады, где он использовался для измерения значения постоянной Планка с точностью до 9 частей на миллиард. (Изображение предоставлено NPL) Новое значение постоянной Планка также меняет определения наших электрических блоков, например, определение ампер в 1948 году. Физики уже давно используют эффекты Джозефсона и фон Клитцинга для точного расчета электрических значений, но эти измерения не могут быть частью СИ, пока одна из их переменных - постоянная Планка - не станет фиксированной величиной.
«Меня всегда радует, что, если я хочу получить свой СИ вольт или мой СИ, я должен был пройти килограмм. Мне пришлось пройти через механический блок, чтобы получить мои электрические блоки », - говорит Ньюэлл. «Это казалось очень 19-го века, и это было».
Теперь электрические единицы будут использоваться, чтобы получить килограмм.
«Люди говорят о, это переопределение килограмма, но я думаю, что это на самом деле упускает важный момент», говорит Шламмингер. «Мы собираемся вернуть эти электрические блоки обратно в СИ».
Для всех людей, на все времена
В мире существует более полудюжины весов Киббла, и многие страны от Южной Америки до Азии строят свои собственные - потому что, как только у ученых есть такой, у них есть инструмент для доступа к килограмму и многим другим фундаментальным единицам и мерам, определенным природа. Килограмм больше не будет ограничен хранилищем, где немногие имеют право когда-либо получить к нему доступ, и каждый так боится к нему прикоснуться, что его не используют, но раз в полвека.
«Теперь это означает, что мы можем распространить способ определения массы по всему миру», - говорит Робинсон.
Для ученых, на работу которых влияет это изменение, новая Международная система единиц - не что иное, как исторический случай.
«Я все еще волнуюсь, что это все мечта, и завтра я проснусь, а это неправда», - говорит Шламмингер. «Я думаю, что это завершает дугу, о которой люди начали думать до Французской революции, и идея состояла в том, чтобы иметь измерения на все времена для всех людей».
Стефан Шламмингер объясняет баланс Киббла с помощью работающей модели Lego в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд. (Джей Беннетт) «Это был один из самых ярких моментов в моей жизни», - говорит Клаус фон Клитцинг из Института Макса Планка, чья собственная константа будет закреплена как фиксированное значение в результате новой СИ. "Это замечательно. У нас есть объединение этих квантовых единиц ... с новыми единицами СИ, и поэтому это прекрасная ситуация ».
Такие изменения в наших фундаментальных ценностях для описания вселенной происходят не часто, и трудно представить, когда это произойдет снова. Счетчик был переопределен в 1960 году, а затем снова в 1984 году.
Второй был переопределен в 1967 году. «Теперь это было довольно революционное изменение», - говорит Дэвис. «Люди вечности говорили время вращением Земли, и внезапно мы превратились в вибрацию в атоме цезия».
Нельзя сказать, было ли переопределение второго более фундаментальным изменением человеческого понимания, чем переопределение килограмма, но, как и второе, переопределенный килограмм, несомненно, является заметным моментом в продвижении нашего вида.
«Избавиться от последнего артефакта… это историческая вещь», - говорит Дэвис. «Стандарты измерений были основаны на этих артефактах, на самом деле, так как каждый знает. Раскопки времен неолита показывают стандарты - стандартные длины, стандартные массы - маленькие кусочки черта, камня или чего-то еще. И вот так люди делали это на протяжении тысячелетий, и это последнее ».
СИ снова изменится, хотя в первую очередь это будет связано с уменьшением уже бесконечно малых неопределенностей или переключением на другую длину волны света или химическую меру, которая будет чуть-чуть более точной. В будущем мы можем даже добавить единицы к СИ для значений, которые мы еще не думали определять. Но мы больше никогда не сможем делать то, что делаем сейчас, чтобы оставить понимание наших предков и принять новую систему измерения.
