Мир просто переопределил килограмм

Yesani Chida Chathu Chothetsa Mavuto

Он включает в себя сложную науку и прекрасную простую философию.

Весы Kibble - это машина, которая делает возможным новое определение килограмма.

В сорока футах под землей в Гейтерсбурге, штат Мэриленд, в ярко-белой лаборатории, для входа которой требуются три отдельных ключа, Соединенные Штаты хранят драгоценную коллекцию маленьких блестящих металлических цилиндров, которые буквально определяют массу всего в этой стране.

Они красивые, с зеркальной отделкой, и мне приходится сопротивляться желанию прикоснуться к ним. Если бы я прикоснулся к ним, я мог бы загрязнить их маслом с кожи и потенциально увеличить их вес. Патрик Эбботт, хранитель килограмма здесь, в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), говорит мне, что это было бы очень плохо.

В настоящее время килограмм имеет очень простое определение: это масса куска платино-иридиевого сплава, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, Франция. с 1889 г. . Это называется Международный прототип килограмма (он же Big K или Le Grand K). , а также у него много копий по всему миру, в том числе семь в NIST в Гейтерсбурге. - которые используются для калибровки весов и обеспечения того, чтобы весь мир находился в одной системе измерения.

Вот одна из копий в NIST, названная K4, выкованная из того же куска металла, из которого Big K был создан в 19 веке.

В NIST Патрик Эбботт - хранитель килограмма.

Это K4, копия Международного прототипа килограмма, выкованная из того же сплава платины и иридия.

Посмотри на это внимательно. Потому что очень скоро этот 129-летний стандарт килограмма изменится.

В пятницу ученые со всего мира встретились на Генеральной конференции по мерам и весам в Версале, Франция, и проголосовали за изменение определения килограмма , связывая его с универсальной константой в природе. Изменения вступят в силу 20 мая 2019 года.

Одна из важных причин изменения заключается в том, что Big K непостоянен. Это потерял 50 мкг (о массе ресницы) с момента ее создания. Но, к сожалению, когда Big K теряет массу, это все равно ровно один килограмм, согласно нынешнему определению.

Когда Big K меняется, все остальное должно приспосабливаться. Или даже хуже: если бы Big K был украден, система измерения массы нашего мира была бы ввергнута в хаос.

На голосовании в пятницу ведущие мировые ученые-измерители решили добавить килограмм к постоянной Планка, фундаментальной концепции квантовой механики, которая никогда, никогда не может измениться - здесь, на Земле, или в глубоких уголках Вселенной.

Это больше, чем научная победа. Это тоже философский вопрос, как я узнал от ученых NIST, которые годами работали над переопределением и называли этот момент самым захватывающим временем за всю свою карьеру.

С новым определением Генеральная конференция по мерам и весам завершает первоначальную мечту о метрической системе, которая была принята во время Французской революции. Метрическая система, которая превратилась в Международную систему единиц или СИ, была разработана для всех времен и народов.

«Объекты всегда меняются», - говорит Стефан Шламмингер, ученый из NIST, участвовавший в переопределении. По его словам, с новым определением мы переходим от объекта на Земле к тому, что находится на небесах.

И это стоит отметить. В мире, где кажется, что все всегда находится в движении, эти ученые теперь убедились, что килограмм никогда не изменится.

Краткая история килограмма

Как узнать, что что-то весит? Знаю, есть очевидный ответ: вы ставите это на шкалу.

Но когда вы идете в продуктовый магазин и взвешиваете связку яблок, как эти весы узнают, на что похож фунт фруктов?

Чтобы измерения массы имели смысл, нам нужна фиксированная точка сравнения. Эти яблоки должны весить больше или меньше что-то. Чтобы избежать хаоса и позволить нашей экономике функционировать, это должно быть общепризнано.

Весы в вашем продуктовом магазине были откалиброваны с помощью веса, который был откалиброван с помощью веса, который был откалиброван с помощью веса, и так далее. И все эти калибровки восходят именно сюда, в недра NIST. Стабильные веса и меры важны не только для продуктов питания: представьте себе, если бы Boeing не мог точно определить, сколько весит самолет, или если бы фармацевтическая промышленность не могла определить точную массу крошечной, потенциально смертельной дозы лекарства.

Эти весы в Трухильо, Перу, измеряют единицы в унциях, фунтах, граммах и килограммах.

Леон Нил / Getty Images

В США до сих пор используются имперские единицы: фунты и унции. Но на самом деле все наши измерения происходят из Международной системы единиц, или СИ, в которой метры и килограммы используются в качестве основных единиц длины и массы.

Когда дело доходит до массы в США, все восходит к этим цилиндрам в форме шайб, которые точно обработаны до 1 килограмма. Официально в США 1 фунт определяется как 0,45359237 килограмм. Фут определяется как 0,3048 метра.

Но система не всегда была такой упорядоченной. До Французской революции и изобретения метрической системы системы мер и весов во всем мире представляли собой хаотичный и непослушный беспорядок.

Представьте себе мир, в котором каждый раз, когда вы путешествуете, вам приходилось использовать разные преобразования для измерений, как мы делаем для валюты, Мадхви Рамани из BBC объясняет . Так было до Французской революции в конце 18 века, когда веса и меры варьировались не только от нации к нации, но и внутри наций.

Французская революция имела целью свергнуть старые, архаичные, хаотические иерархии, оставшиеся от феодальной эпохи, и переделать общество с учетом принципов эгалитаризма.

Вдохновленные революцией, ученые в то время хотели начать с новой, последовательной системы измерения, основывая единицы измерения не на произвольных приказах королей, а на природе. Целью было создать систему измерения на все времена, для всех людей.

Таким образом, когда в конце 1800-х годов во Франции было основано Международное бюро мер и весов, метр - стандартная единица длины - был создан как одна десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора. Грамм основан на плотности воды: она примерно равна массе 1 кубического сантиметра воды при температуре 4 ° C.

Чтобы распространить эти новые единицы - чтобы убедиться, что все в мире понимают их - изобретатели метрической системы решили создать физические объекты, чтобы воплотить и определить их. Они сделали металлический стержень длиной ровно 1 метр. Они создали Big K, чтобы обозначить массу 1 килограмма или 1000 граммов.

С 19 века все физические реликвии старой метрической системы были заменены измерениями, привязанными к постоянным силам природы. Изначально метр был определен как пропорция размера Земли. Но даже форма мира не постоянна. Черт возьми, Земля может даже не быть постоянной . Итак, сегодня метр определяется скоростью света. Второй связан с движением атомов элемента цезия.

Только килограмм пока определяется физическим объектом.

Так что же это за новое определение килограмма? Приготовьтесь, потому что это немного сложно.

Наука о переопределении килограмма через постоянную Планка объяснила

Пятничное голосование на Генеральной конференции мер и весов прошло единогласно. Но изменения не вступят в силу до того как Май 2019 года. Когда произойдут изменения, вот как килограмм будет определяться в Международной системе единиц:

Килограмм (символ кг) - это единица массы в системе СИ. Он определяется путем принятия фиксированного числового значения постоянной Планка h равным 6,626070 15 × 10.-3,4при выражении в единицах Дж с, что равно кг · м2s-один, где счетчик и секунда определены через c и ∆νCs.

Какого черта?

Объяснить это намного сложнее, чем кусок металла во Франции. Но давай попробуем.

По сути, Генеральная конференция мер и весов будет фиксировать значение постоянной Планка, которая описывает, как мельчайшие частицы материи выделяют энергию дискретными шагами или порциями (называемыми квантами).

После голосования в пятницу постоянная Планка теперь и навсегда будет установлена ​​как 6,62607015 × 10.-3,4м2кг / с. И из этого фиксированного значения постоянной Планка ученые могут получить массу килограмма.

На это переопределение потребовались десятилетия, потому что постоянная Планка крошечная (начинается с десятичной точки и сопровождается 33 нулями) и должна быть рассчитана с точностью до крошечной погрешности. Работа потребовала тщательных измерений с помощью невероятно сложной машины, называемой весами Киббла (подробнее об этом ниже), а также наблюдений за чрезвычайно большим круглая сфера из кремния .

Это объяснение может показаться ненадежным. И это. Но чтобы лучше понять это, полезно посмотреть, как метр - стандартная единица измерения длины в мире - был переопределен в терминах скорости света, как пример того, почему это было необходимо.

Изначально метр был определен как длина стержня в Международном бюро мер и весов во Франции. (Это было тогда переопределенный быть равным определенной длине волны излучения.) И снова проблема с этим определением заключалась в его неточности. Он не был основан на неизменных свойствах Вселенной.

С другой стороны, скорость света неизменна - 299 792 458 метров в секунду. Ученые считают, что где бы вы ни находились, оно остается неизменным. (По крайней мере, если это действительно изменится, это перевернет почти все, что мы знаем о физике.)

К 1983 г. , физики действительно научились измерять скорость света. Поэтому они использовали его, чтобы навсегда зафиксировать длину метра, сделать его постоянным. Вот как: они изменили определение метра, чтобы он равнялся расстоянию, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. По сути, определение метра теперь включено в определение скорости света.

В этом есть поэзия: ученые взяли метр - произвольное измерение длины, изобретенное людьми - и прикрепили его к универсальной константе. Наши беспорядочные человеческие измерения превзошли их беспорядочную человечность; они были слиты с вечной истиной.

Длина нового светомера такой же, как у старого парижского эталона. Но в отличие от старого стандарта в Париже, теперь определение метра никогда не может измениться.

То же самое происходит с постоянной Планка. Как и скорость света, постоянная Планка - универсальная истина, которая никогда не изменится.

Установив окончательное значение постоянной Планка - единицы измерения которой включают килограмм, так же как единицы скорости света включают метр - размер килограмма остается неизменным. Вы также можете думать об этом так: килограмм был привязан к постоянной Планка, где он будет оставаться навсегда.

(Возможно, если вы внимательно читали, то заметили здесь небольшую проблему с курицей и яйцом. Как вы пытаетесь определить метр в терминах скорости света, если ваши измерения скорости света также содержат единицу измерения? То же самое и с постоянной Планка: она содержит килограммы в своих единицах. Краткий ответ: вот почему люди, работающие над этими проблемами, имеют докторские степени.)

Весы Kibble - это машина, которая делает все это возможным

Переопределение килограмма в терминах Планка было огромной задачей, на решение которой потребовались десятилетия.

Во-первых, ученые должны были иметь возможность измерять постоянную Планка с очень высокой точностью. Если бы наша оценка скорости света имела большую погрешность, она не была бы надежным якорем для измерения метра. То же самое и с Планком.

В течение десятилетий ученые из NIST, а также в нескольких других лабораториях по всему миру использовали машину, называемую весами Киббла (иногда называемыми весами ватт), для точного измерения постоянной Планка с достаточной точностью, чтобы она можно использовать для переопределения килограмма.

Как и эталоны килограммов, весы Kibble находятся глубоко под землей в NIST. Он построен на бетонном полу, который может буквально парить над фундаментом здания, чтобы лучше изолировать его чувствительное оборудование от любых вибраций от остальной части объекта. Я должен надеть пластиковую сетку на волосы и обувь, чтобы увидеть его, потому что любой мусор может вывести его из строя.

Если бы викторианцы построили машину времени и припарковали ее в пивоварне, я бы предположил, что это выглядело бы примерно так.

Весы Kibble - это невероятно сложный и красивый механизм, который приравнивает механическую силу к электрической силе.

Весы Kibble работают как простые весы. Представьте себе одного Леди юстиции держит в руке: у него есть две сковороды, которые балансируют в центральной точке. Простые весы сравнивают два груза на каждой посуде, чтобы уравнять их.

Весы Киббла, названные в честь своего покойного изобретателя, британского физика Брайана Киббла, делают нечто подобное, но с квантово-механической особенностью. Он приравнивает механическую энергию массы объекта к эквивалентному количеству электрической энергии.

Формула весов Киббла, позволяющая приравнять массу и электрическую мощность, сложна. (Ученые NIST привели меня к доске, показанной ниже, для объяснения.)

Так работает баланс Kibble.

Важно то, что в этом уравнении - среди всех действующих переменных, включая массу, скорость, гравитационное притяжение, магнетизм и электричество - лежит постоянная Планка. И с помощью этой машины ученые смогли решить Планка. Математика работает, потому что, как учил нас Альберт Эйнштейн своим самым известным уравнением, E = mc2, масса и энергия по сути являются разными выражениями одного и того же.

Теперь вы можете подумать: что делает баланс Киббла теперь, когда он определил постоянную Планка?

Что ж, он заменяет потребность в Большом К во Франции, потому что теперь он знает массу килограмма в терминах постоянной Планка. И это будет точное измерение, способ убедиться, что килограмм остается килограммом, который можно использовать для взвешивания объектов и определения их массы в соответствии с новым стандартом.

Сейчас наша гарантия качества на стабильность [Big K] основана на соглашении, - говорит Эбботт. Мы говорим, что ничего не изменится. Наша гарантия качества весов Kibble заключается в том, что они основаны на естественных константах, которые были тщательно измерены всем миром. и мы знаем, что это не изменится. В этом вся разница в мире.

Демократизация мер и весов идет полным ходом

Все еще со мной?

Если вы все это приукрашиваете, то вот к чему сводится все это изменение: нам больше не понадобится правительство - США, Франция или кто-либо еще - или международный руководящий орган, который сообщал бы нам, что такое килограмм. Это будет фундаментальная истина вселенной, доступная каждому, у кого есть необходимое оборудование для ее осознания.

Теоретически любой может построить баланс Kibble. (Мне сказали, что на подходе есть миниатюрные модели.) Они могут построить этот эксперимент, и они могут измерить любую массу, какую захотят, любой материал, просто поставьте его на весы, и вы получите значение массы, абсолютное, в единицах измерения. В терминах постоянной Планка, говорит Дарин Эль Хаддад, которая проводит эксперимент по балансу Киббла в NIST. По ее словам, весы Kibble позволяют проводить абсолютные измерения.

В будущем предприятиям обрабатывающей промышленности не нужно будет отправлять свои гири и весы в NIST для калибровки. У них могут быть весы Kibble на заводе. В этом свете новое определение более демократично - оно может свободно использоваться во всем мире и не храниться взаперти во Франции.

Однако у этого изменения есть несколько серьезных недостатков. Эбботт говорит, что люди даже не понимают метрическую систему. Как вы собираетесь объяснить баланс Kibble? Сложность определения может отпугнуть людей, которые хотят изучать науку. Ученик начальной школы может понять, что кусок металла весит килограмм, но квантовая механика?

Шламмингер утверждает, что, хотя новое определение технически сложнее, с философской точки зрения оно проще. Килограмм скоро будет определяться фундаментальной физикой Вселенной, а не какой-то человеческой махиной.

У Шламмингера есть основополагающие слова метрической системы, на все времена, для всех людей, вытатуированные на его руке, рядом с цифрами постоянной Планка. Вот как сильно он верит в идеал. Он считает, что эта работа завершает дугу, начавшуюся с Французской революции. И это завершено: с голосованием в пятницу килограмм теперь навсегда, на все времена и для всех людей.

За татуировкой с константой Планка Стефана Шламмингера следует основополагающий девиз метрической системы: «На все времена, для всех».