Zamčený v trezoru, který vyžaduje otevření tří klíčů, ve městě Sèvres na jihozápad od Paříže je kilogram. Ve skutečnosti je to Kilogram, mezinárodní prototyp kilogramu (IPK), kilogram, proti kterému musí všechny ostatní kilogramy vzít svou míru, Le Grand K. Tento válec ze slitiny platiny a iridia leží pod třemi ochrannými skleněnými zvonky, v prostředí s kontrolovanou teplotou a vlhkostí, v trezoru spolu se šesti úředními kopiemi v podzemním trezoru Sèvres.
"Pokud byste to chtěli vypustit, stále by to byl kilogram, ale masa celého světa by se změnila, " říká Stephan Schlamminger, fyzik z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) v Gaithersburgu v Marylandu.
IPK vychází ze svého trezoru pouze každých 40 let, kdy se na kalibrování kopií, které jsou sdíleny se zeměmi po celém světě, používá ingot s velikostí golfového míče, přesně podle kilogramu od roku 1889. Ale je tu problém. V trezoru s IPK je šest tematin, neboli „svědků“ - oficiální kopie. V průběhu let, o čemž svědčí vzácné případy, kdy byl změřen Le Grand K a jeho svědci, se masa IPK „unášela“.
Mezinárodní prototyp kilogramu (IPK). (Fotografie se svolením BIPM) Většina svědků nyní váží o něco více - záležitost mikrogramů nebo miliontiny gramu - než IPK (ačkoli mnoho kopií bylo na začátku masivnější). Dalo by se říci, že IPK ztrácí masu, ale to nemůžete říci, protože IPK je neměnně a neochvějně jeden kilogram . Kromě toho fyzikové ani nevědí, zda IPK z dlouhodobého hlediska ztrácí hmotu nebo získává hmotu, jen to, že se pomalu unáší kvůli nepatrným množstvím materiálu nahromaděného ze vzduchu, nebo setřepaného během vážení nebo rozmazaného stříbřitý povrch IPK během jedné z jeho pečlivých koupelí.
Jak si dokážete představit, tato minuta unášení způsobuje vědcům spoustu bolesti hlavy - nemluvě o odvětvích, která se spoléhají na malá a přesná měření hmotnosti, jako jsou farmaceutické společnosti.
"V tuto chvíli je kilogram definován z hlediska hmotnosti konkrétní věci, " říká Ian Robinson z National Physical Laboratory (NPL) v jižním Londýně. "A pokud je ta věc zničena nebo změněna nebo cokoli jiného, je to trapné."
Jedna z kopií IPK, platina-iridium NIST, K92, s kilogramovou hmotností z nerezové oceli v pozadí. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Naštěstí metrologové světa mají řešení: předefinují kilogram jako přirozenou univerzální konstantu. Většina jednotek v mezinárodním systému jednotek (SI) je již definována podle univerzálních konstant, jako je měřič, což je oficiálně délka ujetá rychlostí světla ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy. Tato definice se samozřejmě opírá o druhou, která je definována jako doba trvání 9 192 631 770 period specifické frekvence elektromagnetického záření (v tomto případě mikrovlny), která způsobuje přechod vnějšího elektronového atomu cesia-133 (přechod z kvantového měření „točení nahoru“ na „točení dolů“ nebo naopak).
Ale kilogram, poslední zbývající jednotka definovaná artefaktem, tvrdohlavě odolával předefinování - dosud. 16. listopadu se na 26. zasedání Generální konference o hmotnostech a mírách sejdou delegáti ze 60 členských států ve Sèvresu, aby hlasovali, aby znovu definovali kilogram podle Planckovy konstanty - číslo, které souvisí s frekvencí vlny světla s energie fotonu v této vlně. A podle Richarda Davise, fyziky z Mezinárodního úřadu pro váhy a míry (BIPM), „očekávají podstatnou většinu.“
(AKTUALIZACE: 20. května 2019 vstoupily v platnost změny mezinárodního systému jednotek včetně nových definic pro kilogram, ampér, kelvin a krtek.)
Max Planck a Albert Einstein
V 1879, IPK byl obsazen společností z drahých kovů Johnson Matthey v Londýně, dvacetiletý Max Planck obhajoval svou tezi o druhém termodynamickém zákonu a narodil se Albert Einstein. Ačkoli to dva vědci neznali během svých životů, jejich společná práce na základní fyzice gravitace a kvantové mechanice by položila základ pro definici kilogramu v 21. století.
Co je Planckova konstanta? "Na základní úrovni je těžké říct, " říká Davis.
Planckova konstanta je velmi malé číslo: 6, 662607015 x 10 -34, přesněji, jak bude oficiálně definováno na 16. listopadu. V roce 1900, Max Planck spočítal počet, aby vyhovoval modelům světla přicházejícího z hvězd, přizpůsobující energii a teplotu hvězd jejich spektru elektromagnetického záření (souhrnně známé jako záření černých těles). Experimentální data tehdy naznačovala, že energie neprotéká při žádné hodnotě, nýbrž je obsažena ve svazcích nebo quantach - z nichž kvantová mechanika pojmenuje své jméno - a Planck potřeboval vypočítat hodnotu těchto svazků, aby odpovídaly jeho modelům záření černých těles.
Pět laureátů Nobelovy ceny zleva doprava: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan a Max von Laue, sešli v roce 1931 na večeři, kterou hostil von Laue. (Public Domain) O pět let později, Albert Einstein publikoval svou teorii speciální relativity, která by měla být vyjádřena jako slavná rovnice E = mc 2 (energie se rovná hmotnosti krát rychlosti světla na druhou, epifanci, že energie je zásadně svázána ve všech záležitost vesmíru). Vypočítal také teoretickou hodnotu jediné základní kvantové elektromagnetické energie - nyní známé jako foton -, která vyústila v Planck-Einsteinův vztah, E = h v . Rovnice říká, že energie fotonu (E) se rovná Planckově konstantě (h) krát frekvenci elektromagnetického záření ( v, což je řecký symbol nu spíše než „v“).
"Víte, že máte energii fotonu, což je hv, ale také víte, že máte energii hmoty, která je mc 2." [So], E = h v = mc 2 . Tady můžete vidět, jak můžete získat hmotnost z h [Planckova konstanta], v [vlnová frekvence] ac [rychlost světla], “říká David Newell, fyzik na NIST.
Ale toto není jediné místo, na které se Planckova konstanta ukáže. Toto číslo je potřeba k popisu fotoelektrického jevu, na kterém jsou založeny sluneční články. Používá se také v Nielsově Bohrově modelu atomu a dokonce se objevuje v Heisenbergově principu neurčitosti.
"Je to jako říkat dobře, co Pi?" Říká Davis. "Co je to Pi?" Je to obvod kruhu dělený průměrem kruhu. Ale pak se Pi objeví všude v matematice. Je to všude. “
Klíčem spojujícím Planckovu konstantu s kilogramem je její jednotka, joulová vteřina nebo J · s. Konstanta získá tuto jedinečnou jednotku, protože energie se měří v joulech a frekvence se měří v Hertzech (Hz) nebo v cyklech za sekundu. Joule se rovná kilogramu vynásobenému čtverečními metry dělenými sekundami na druhou (kg · m 2 / s 2 ), takže s několika chytrými měřeními a výpočty lze dospět k kilogramu.
Než však budete moci přesvědčit svět, aby změnil definici standardní jednotky hmotnosti, vaše měření by měla být nejlepší v historii vědy. A jak to říká Newell, „měření něčeho absolutního je zatraceně těžké.“
Opatření pro opatření
Často považujeme za samozřejmé, že sekunda je sekunda nebo metr metr. Ale pro většinu lidské historie byla taková měření času, délky a hmotnosti spíše svévolná, definovaná podle rozmarů místních zvyků nebo vládců. Jeden z prvních dekretů, že národní měření musí být standardizována, pocházel z Magna Carta v roce 1215, který uvádí:
„Nechť je v našem království jedno opatření pro víno a jedno měření pro pivo a jedno měření pro kukuřici, konkrétně„ londýnská čtvrť “; a jednu šířku pro látky, barvené, červenohnědé nebo halberget, jmenovitě dvě ellky v okrajích. Nechť je to stejné s váhami jako s rozměry. “
Ale po osvícení, jak vědci začali rozmotávat fyzická omezení vesmíru, vyšlo najevo, že různé měřící standardy představují hroznou překážku pro postup tohoto druhu. Vědci se rozšířili po celém světě v 18. a 19. století a měřili vše od přesného tvaru Země po vzdálenost ke slunci - a vždy, když musel být německý lachter (asi dva metry, v závislosti na regionu), srovnáván s angličtinou loděnice (která se také po většinu své existence lišila), byly nejasnosti a nedorozumění hojné.
Kopie prvního standardu metra, zapečetěná v základně budovy na 36 rue de Vaugirard v Paříži. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Francouzi nakonec měli revoluci - nejen politiky, ale také opatření. Když se 18. století přibližovalo ke konci, odhaduje se, že Francouzské království mělo asi čtvrt milionu různých jednotek, což znemožňuje sledovat všechny. Francouzská akademie věd, vyzvána Národním ústavním shromážděním, které se vytvořilo na počátku francouzské revoluce, se rozhodla zřídit novou jednotku délky, která by se stala oficiálním měřítkem pro zemi: metr, definovaný jako jedna desetimiliontina vzdálenosti od severního pólu k rovníku.
Výzkumná expedice vedená francouzskými matematiky a astronomy Jean Baptiste Joseph Delambre a Pierre Méchain triangulovala vzdálenost části této délky, táhnoucí se od Dunkerque do Barcelony, aby se vypočítal nový metr. Měření průzkumu byla dokončena v roce 1798 a nový standard byl brzy přijat ve Francii.
Metr přišel představovat základní měrnou jednotku, definující litr (1 000 kubických centimetrů) a dokonce kilogram (hmotnost jednoho litru vody). V roce 1875 byl svět připraven přijmout metrický systém a v Metrové úmluvě toho roku se zástupci 17 národů podepsali Smlouvu o měřidle, vytvořili Mezinárodní úřad pro váhy a míry a stanovili nové standardy pro hmotnost a délku obsažené v slitině platina-iridium, definující metr a kilogram pro celý svět.
Ale jak vlna 20. století vědci jako Planck a Einstein začali hrabat a prodávat newtonovskou strukturu fyziky a objevovat nové zákony mezi rozprostřením vesmíru a základy atomu, musel být odpovídajícím způsobem aktualizován systém opatření . V roce 1960 byl zveřejněn Mezinárodní systém jednotek (SI) a země po celém světě zřídily metrologické instituce, aby neustále zdokonalovaly oficiální definice našich sedmi základních měrných jednotek: metr (délka), kilogram (hmotnost), sekunda (čas) ), ampér (elektrický proud), kelvin (teplota), krtek (množství látky) a kandela (svítivost).
Avogadro koule z čistých atomů křemíku-28. Měřením objemu koule a objemu jednoho atomu křemíku-28 mohou meteorologové měřit hmotnost jednoho atomu ve sféře a poskytovat metodu pro výpočet počtu atomů v krtku, nazývaného Avogadroovo číslo, které může být použit k výpočtu Planckovy konstanty. (Fotografie se svolením BIPM) Z těchto základních jednotek lze vypočítat všechny ostatní jednotky. Rychlost se měří v metrech za sekundu, kterou lze převést na mph a jiné rychlosti; volt je měřen v ampérech proudu a odporu v ohmech; a definice loděnice je nyní úměrná 0, 9144 metru.
Dnes, stejně jako v průběhu 18. století, je otázka rafinace takových měření v popředí vědeckých schopností. Ačkoli redefinice kilogramu pravděpodobně nezmění váš každodenní život, konečné účinky definování přesnějšího systému měření jsou často rozšířené a hluboké.
Vezměte například druhý. Od roku 1967 je definice sekundy založena na frekvenci mikrovlnného laseru a bez této přesnosti by technologie GPS nebyla možná. Každý satelit GPS nese atomové hodiny, což je rozhodující pro korekci skutečnosti, že čas prochází nekonečně, ale měřitelně pomaleji na našich satelitech, když obíhají kolem Země ve vysokých rychlostech - což je účinek předpovídaný Einsteinovou teorií relativity. Bez nové definice bychom nemohli opravit tyto nepatrné zlomky vteřiny, a jak rostli, měření GPS by se driftovala dál a dál pryč z kurzu, takže všechno od Map Google po GPS řízenou munici nebylo nic jiného než sci-fi.
Vztah mezi druhým a GPS odhaluje základní propletení metrologie a vědy: postupující výzkum vyžaduje a umožňuje nové standardy měření a tyto nové standardy měření zase umožňují pokročilejší výzkum. Tam, kde tento cyklus nakonec vezme náš druh, není známo, ale po smrti měřicí lišty a opuštění druhého, jak je definováno zlomkem dne, je jedna věc jasná: IPK je vedle gilotiny.
Kibble Balance
Váha NIST-4 Kibble, provozovaná Národním institutem pro standardy a technologie. Na rozdíl od dřívějších vyvážení Kibble používá NIST-4 vyvažovací kolo, které funguje spíše jako kladka než paprsek. Bilance měřila Planckovu konstantu s nejistotou 13 dílů na miliardu. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Fyzici věděli po celá desetiletí, že kilogram lze definovat pomocí Planckovy konstanty, ale teprve nedávno metrologie postoupila natolik, aby změřila číslo s takovou přesností, že svět přijme novou definici. V roce 2005 začala skupina prosazovat skupinu vědců z NIST, NPL a BIPM, které Newell nazývá „gang pěti“. Jejich článek o této záležitosti je nazván „ Předefinování kilogramu: rozhodnutí, jehož čas nastal“ .
"Považuji to za milníkový papír, " říká Newell. "Bylo to velmi provokativní - naštvaní lidé."
Jednou z klíčových technologií pro měření Planckovy konstanty identifikované v tomto článku je wattová rovnováha, kterou poprvé konceptualizoval Bryan Kibble v NPL v roce 1975. (Po jeho smrti v roce 2016 byla bilance wattů přejmenována na rovnováhu Kibble na počest Bryana Kibblee.)
Váha Kibble je na základní úrovni vývojem technologie, která sahá více než 4 000 let: váhy váhy. Ale namísto vážení předmětu proti jinému k porovnání dvou, Kibbleova rovnováha umožňuje fyzikům zvážit hmotnost proti množství elektromagnetické síly potřebné k jejímu udržení.
"Rovnováha funguje tak, že prochází proud cívkou v silném magnetickém poli, a to vytváří sílu, a můžete ji použít k vyvážení hmotnosti hmoty, " říká Ian Robinson z NPL, který pracoval s Bryanem Kibbleem na první watt zůstatky od roku 1976 kupředu.
Váha pracuje ve dvou režimech. První režim vážení nebo síly vyvažuje hmotu se stejnou elektromagnetickou silou. Druhý režim, rychlost nebo kalibrační režim, používá motor k pohybu cívky mezi magnety, zatímco hmota není na váze, čímž vytváří elektrické napětí, které vám dává sílu magnetického pole vyjádřenou jako míra elektrické síly. Výsledkem je, že síla hmoty v režimu vážení je stejná jako elektrická síla generovaná v režimu rychlosti.
Elektrická síla pak může být vypočtena jako funkce Planckovy konstanty díky práci dvou Nobelových vítězných fyziků, Briana Josephsona a Klause von Klitzing. V roce 1962 Josephson popsal kvantový elektrický efekt související s napětím a von Klitzing odhalil kvantový účinek odporu v roce 1980. Dva objevy umožňují vypočítat elektrickou sílu rovnováhy Kibble z hlediska kvantových měření (pomocí Planckovy konstanty), což se zase rovná hmotnosti kilogramu.
Kromě rovnováhy podle Kibble se papír „gangu pěti“ zaměřuje na další způsob výpočtu Planckovy konstanty - vytvořením sfér prakticky virtuálních atomů křemíku-28, které jsou dokonale kulatými předměty, které kdy lidstvo vytvořilo. Objem a hmotnost jednoho atomu ve sféře lze měřit, což umožňuje metrologům a chemikům zpřesnit Avogadrovu konstantu (počet entit je jeden mol), a z Avogadroova čísla lze vypočítat Planckovu pomocí již známých rovnic.
"Musíte to udělat dvěma způsoby, abyste si byli jistí, že u jediné metody neexistuje skrytý problém, " říká Robinson.
Bílá tabule na NIST vysvětluje, jak může vyvážení Kibble přirovnávat mechanické měřítko (hmotnost kilogramové hmotnosti) s elektrickým měřítkem (síla elektrického proudu potřebná k udržení kilogramu, vyjádřená jako funkce Planckovy konstanty). (Jay Bennett) Aby se předefinovalo kilogram, změna, která bude provedena 20. května 2019, vyžadovala Generální konference pro váhy a míry alespoň tři experimenty pro výpočet Planckovy konstanty s nejistotou nepřesahující 50 dílů na miliardu, jedna z která musí vypočítat hodnotu s nejistotou 20 dílů na miliardu. Mezinárodní snaha o křemíkovou kouli je dostatečně přesná, aby dosáhla nejistoty pouhých 10 dílů na miliardu, a čtyři měření bilance Kibble také produkovala hodnoty v rámci požadované nejistoty.
A v důsledku všech těchto opatření se mnohem více než kilogram změní.
Nový mezinárodní systém jednotek
26. zasedání Valné konference pro váhy a míry (CGPM) stanovilo pevnou hodnotu pro Planckovu konstantu více než předefinování kilogramu a v důsledku toho uzákonilo největší transformaci mezinárodního systému jednotek od svého založení v roce 1960. Dříve byla Planckova konstanta měřena nepřetržitě, zprůměrována jinými měřeními na celém světě a výzkumným institucím bylo každých několik let doručováno seznam nových hodnot.
"Nikdo nebude měřit Planckovu konstantu, jakmile toto [hlasování] projde, protože jeho hodnota bude definována, " říká Davis.
Kromě Planckovy konstanty bude Avogadroova konstanta nastavena na pevnou hodnotu, stejně jako elementární náboj ( e, náboj jednoho protonu) a trojitý bod vody (teplota, při které může voda existovat jako pevná látka)., kapalina nebo plyn, definované jako 273, 16 stupňů Kelvin nebo 0, 01 stupňů C).
Nastavením konstanty Planck jako absolutní hodnoty se vědci odvracejí od konvenčních mechanických měření a přijímají sadu kvantových elektrických měření, aby definovali naše základní jednotky. Jakmile je konstanta definována, lze ji použít k výpočtu rozsahu hmot od atomové úrovně do kosmické, přičemž zůstává potřeba škálovat IPK dolů na menší měřitelné části nebo až do obrovských hmot.
"Máte-li artefakt, ukotvíte stupnici pouze v jednom bodě, " říká Schlamminger. "A základní konstanta nezajímá měřítko."
Ian Robinson s rovnováhou Mark II Kibble. Postavený Národní fyzikální laboratoří (NPL) ve Velké Británii, Mark II byl později získán Národní radou pro výzkum (NRC) v Kanadě, kde byl použit k měření hodnoty Planckovy konstanty s nejistotou 9 dílů na miliardu. (Obrázek se svolením NPL) Nová hodnota pro Planckovu konstantu také mění definice našich elektrických jednotek, jako je definice ampéry z roku 1948. Fyzici dlouho používali Josephsonovy a von Klitzingovy efekty k přesnému výpočtu elektrických hodnot, ale tato měření nemohou být součástí SI, dokud jedna z jejich proměnných - Planckova konstanta - není pevná hodnota.
"Vždycky se na mě vděčí, že když jsem chtěl dostat své SI volty nebo své SI ohmy, musel jsem projít kilogram." Musel jsem projít mechanickou jednotkou, abych dostal své elektrické jednotky, “říká Newell. "Vypadalo to velmi 19. století a bylo to."
Nyní budou elektrické jednotky použity k získání kilogramu.
"Lidé mluví o tom, oh, je to redefinice kilogramu, ale myslím si, že ve skutečnosti chybí důležitý bod, " říká Schlamminger. "Budeme tyto elektrické jednotky dostat zpět do SI."
Pro všechny lidi, na celou dobu
Po celém světě existuje více než půl tuctu bilancí Kibble a mnoho zemí od Jižní Ameriky po Asii si buduje vlastní - protože jakmile vědci jednu mají, mají k dispozici nástroj pro přístup k kilogramu a mnoha dalším základním jednotkám a opatřením definovaným Příroda. Už se nebude kilogram omezovat na trezor, kde málokdo má tu výhodu, že k němu někdy bude mít přístup, a každý se tak bojí dotknout se ho, že se nepoužívá, ale jednou za půl století.
"To znamená, že nyní můžeme rozšířit způsob určování hmotnosti po celém světě, " říká Robinson.
Pro vědce, jejichž práce tato změna ovlivňuje, není nový mezinárodní systém jednotek nic historického.
"Stále se obávám, že je to všechno sen, a zítra se probudím a není to pravda, " říká Schlamminger. "Myslím, že to dokončuje oblouk, o kterém lidé začali přemýšlet před francouzskou revolucí, a myšlenkou bylo mít měření pro všechny časy pro všechny lidi."
Stephan Schlamminger vysvětluje rovnováhu Kibble pomocí funkčního modelu Lego v Národním institutu pro standardy a technologie (NIST) v Gaithersburgu v Marylandu. (Jay Bennett) "Byl to jeden z vrcholů mého života, " říká Klaus von Klitzing z institutu Maxe Plancka, jehož vlastní konstanta bude v důsledku nového SI stmelena jako pevná hodnota. "To je úžasné. Máme sjednocení těchto kvantových jednotek… s novými jednotkami SI, a proto je to skvělá situace. “
Takové změny v našich základních hodnotách, které popisují vesmír, se často nevyskytují a je těžké si představit, kdy se má člověk znovu objevit. Měřič byl předefinován v roce 1960 a poté znovu v roce 1984.
Druhá byla znovu definována v roce 1967. „Teď to byla docela revoluční změna, “ říká Davis. "Lidé na věčnost vyprávěli čas rotací Země a najednou jsme se změnili na vibrace v atomu cesia."
Zda redefinice druhého byla zásadnější změnou lidského porozumění než redefinice kilogramu, to neznamená, ale stejně jako druhý je nově definovaný kilogram nepochybně pozoruhodným okamžikem v rozvoji našeho druhu.
"Zbavte se posledního artefaktu ... to je historická věc, " říká Davis. "Měřicí standardy byly skutečně založeny na těchto artefaktech, protože každý ví." Vykopávky neolitických časů ukazují standardy - standardní délky, standardní hmotnosti - to jsou malé kousky cherty nebo skály nebo tak něco. A tak to lidé dělají po tisíciletí, a toto je poslední. “
SI se znovu změní, i když především v důsledku snížení již infinitesimálních nejistot, nebo přepnutí na jinou vlnovou délku světla nebo chemickou míru, která je vždy tak trochu přesnější. V budoucnu můžeme dokonce přidat jednotky SI pro hodnoty, které jsme dosud nenapadlo definovat. Ale už nikdy nebudeme moci dělat to, co děláme nyní, abychom zanechali pochopení našich předků a přijali nový systém míry.
