От везните за баня до медицинските лабораторни везни, масовият стандарт сега се основава на стойност, която е „вплетена в тъканта на Вселената“.

ПУБЛИКУВАНО на 20 май 2019 г.

константата Планк

Запечатан под три вложени буркани от стъклени камбани, блестящ метален цилиндър седи в контролиран от температурата свод в недрата на Международното бюро за теглилки и мерки в Севр, Франция. Озаглавен Le Grande K, или Big K, това самотно парче платина и иридий е определяло масата по целия свят повече от век - от везни за баня до везни в медицинска лаборатория.

Но това е на път да се промени.

На 16 ноември 2018 г. представители от над 60 държави гласуваха по време на 26-ата среща на Генералната конференция за теглилки и мерки във Версай, Франция, за предефиниране на килограма. Днес тази промяна най-накрая влиза в сила. Вместо да базира единицата на този физически обект, занапред мярката ще се основава на основен фактор във физиката, известен като константа на Планк. Това безкрайно малко число, което започва с 33 нули след десетичната си точка, описва поведението на елементарни пакети светлина, известни като фотони, във всичко - от трептенето на пламък на свещ до искрящите звезди над главата.

„Тази основна константа е вплетена в тъканта на Вселената“, казва Стефан Шламингер, ръководител на екипа на Националния институт за стандарти и технологии, който заедно с международна кохорта от учени работи за усъвършенстване на константата на Планк за предефинирането на килограмите. Най-важното е, че тази стойност ще остане същата за всички времена, независимо от местоположението.

Масивна промяна

Килограмът е една от седемте базови единици в Международната система от единици, която определя всички останали измервания. (Другите шест базови единици са метър, вторият, молът, амперът, келвинът и кандела.) Лесно е да се пренебрегне значението на мерните единици, но тези седем са в основата на всичко във нашата Вселена. Те осигуряват стабилност в производството, търговията, научните иновации и др.

Метричната система, която по-късно се превръща в Международна система за единици, е замислена в края на 1700 г. като начин за извършване на измервания „нещо за всички времена, за всички хора“, казва Шламингер. Надеждата беше да се опрости ежедневният живот в свят, в който навлизането в различен град означава възможността да се наложи да се научи различна система от мерки.

Много от тези ранни метрични единици се основават на нещата в природата, обяснява Ричард Дейвис, изследователски физик в Международното бюро за тегла и мерки, организацията, която регулира всички неща, свързани с измерванията. Но в крайна сметка те се оказаха непрактични за използване. Например, метърът е определен като 1/10 000 000 разстоянието от Северния полюс до екватора, преминаващо през Париж. Килограмът е масата на литър дестилирана вода в точката му на замръзване.

"Те просто не разполагаха с технология или наука, за да успеят", казва Дейвис. И така, през юни 1799 г. са изковани два платинени стандарта - метър пръчка и килограмов цилиндър, отбелязващи създаването на десетичната метрична система. За да се увеличи тяхната стабилност, прототипите бяха преработени през 1889 г. от платинено-иридиева сплав и прибрани под ключ.

И все пак тази зависимост от физически обекти също имаше своите проблеми. „Материален обект няма да бъде завинаги“, казва Шламингер. Почивка за чаши за кафе; разкъсване на дрехи; тръби ръжда. Нещо повече, заключени в трезор, тези предмети със сигурност не са „за всички хора“.

През междинния век тези физически обекти са заменени един по един с фундаментални константи. Килограмът беше последното задържане.

Години отслабване

Освен за неговата недостъпност, Big K свърши работата. Учените са фалшифицирали поредица от копия, за да могат да ги използват изследователи по целия свят. Само три пъти за почти 130 години изследователите пускат Big K от свода, за да сравнят ценния цилиндър с неговите двойници.

Но с всяко от тези сравнения учените стават все по-загрижени: Big K изглежда отслабва.

В сравнение с копията си, малкият цилиндър изглеждаше все по-лек. Това или неговите копия ставаха все по-тежки. Невъзможно е да се каже кое, тъй като Big K по дефиниция е точно един килограм. Дори ако някой вземе файл и се обръсне от ъгъла, Big K пак ще тежи един килограм и килограмите по света ще трябва да се коригират.

Общо масата на Big K се различава от копията си с около 50 микрограма - почти масата на зърно сол. И макар това да не изглежда много, това е огромен проблем за взискателни области като медицината. В допълнение, тази загуба не засяга само масата, тя засяга всички други единици, като Нютон, които са дефинирани по отношение на масата.

Как става това?

За да разреши тази загуба на тегло, Генералната конференция по тежести и мерки единодушно прие през 2011 г. резолюция за предефиниране на килограма и три допълнителни единици - ампера, келвина и бенката - въз основа на „инвариантите на природата“. Оттогава учените по целия свят се надпреварват да намерят решение.

Появиха се две различни възможности за килограм, като и двете са свързани с константата на Планк. Първият се основава на нещо, известно като баланс на Кибъл. Това е малко като класическия баланс на лъча, който по същество е бар с висящ тиган от двете страни. За да измерите теглото на нещо, поставете известна маса от едната страна и обекта на интерес от другата. Благодарение на гравитационната сила можете да кажете колко тежи този обект спрямо известната маса.

За баланс на Kibble обаче един от тези тигани по същество е заменен с намотка в магнитно поле. И вместо да използва гравитационна сила за балансиране на масата, тя използва електромагнитна сила. Чрез сравняване на маса с аспекти на тази електромагнитна сила, учените могат да направят точни измервания на константата на Планк.

Другото решение се основава на изработването на друг блестящ обект: перфектна сфера от кристален силиций-28. Тази идея се основава на константа, известна като числото на Авогадро, която определя броя на атомите в мол да бъде приблизително 602 214 000 000 000 000 000 000. Като преброят броя на атомите в силициева сфера, който е точно 1 килограм, учените могат да разберат броя на Авогадро с изключителна точност. След това това може да се преобразува в константата на Планк. (Научете повече за използването на номера на Авогадро при предефинирането на килограма.)

Крайната стойност на константата на Планк е невъобразимо малка: 0,000000000000000000000000000000000662607015 километра в квадрат килограми в секунда.

Чакането приключи

С двата метода учените вече могат да измерват килограм с несигурност от една част на 100 000 000 - разлика, която е около една четвърт от теглото на миглите, казва Шламингер. „Това е нещото в науката - няма такова нещо като съвършенството", казва той. „Винаги има случайни ефекти и винаги има малко разсейване. И трябва да решите: достатъчно добре ли е? “ Единодушното гласуване през ноември предполага, че това наистина е достатъчно добро.

Промяната влиза в сила на 20 май 2019 г., в Световния ден на метрологията. „На този ден няма да видите промяна в ежедневието ни“, казва Дейвис. Но по един или друг начин всяка една везна на планетата е свързана с международния килограмен стандарт. Докато измерването на брашното в кухнята ви ще остане същото, новият стандарт прави свят различен за неща като производството на автомобилни компоненти, разработването на нови лекарства и изработването на научни инструменти.

Гласуването през ноември беше не само забележително с невероятната точност на тези измервания, но и с международното сътрудничество в основата на тази работа. След като представители единодушно одобриха новата дефиниция, Себастиен Кандел, президент на Френската академия на науките, заключи: „Надявам се, че такова ще бъде възможно и по много други въпроси за света“.

Забележка на редактора: Тази история първоначално е публикувана на 16 ноември 2018 г. Тя е актуализирана, когато предефинирането на килограма влезе в сила.