Килограмът е последният международен стандарт за измерване, който разчита на прецизно изработен физически обект. Този знаменосец скоро ще бъде заменен от измервания на космическата възраст въз основа на физически константи.

В стъклената си кутия в Норвежката метрологична служба извън Осло, стандартният килограм на Норвегия изглежда като експониран музеен предмет.

килограма основа

Всъщност това и придружаващите ги тежести по целия свят скоро се планират да станат музейни експонати. Те са последните физически задържания в езотеричния свят на тежестите и мерките, дисциплина, наречена метрология. Ако всичко върви по план, физическите стандартни килограми ще бъдат заменени през май 2019 г. със стандарт, базиран на непроменящи се физически константи.

Pekka Neuvonen и Marit Ulset Nordsveen от Норвежката метрологична служба участват в този преход. Neuvonen носи отговорност за норвежкия килограм в Норвежката метрологична служба, докато Nordsveen е изучил методите за измерване и има преглед на работата с новите мерни единици.

Целта на промяната, казва Неувонен, е „да освободи килограма от свързване с физически обект“.

Le Grand K

Големи части от нашата международна измервателна система - системата SI - все още са свързани с масата на много специален цилиндър в Sévres извън Париж.

Цилиндърът получи прякора Le Grand K - Големият К. Френският цилиндър е международният прототип за един килограм - единицата за маса в системата SI.

Норвежкият килограм в Норвежката служба по метрология и неговите братовчеди по целия свят са по същество копия на Le Grand K.

Килограмът е последната мерна единица, която се определя от физически обект. Физическият метър в Севр е пенсиониран през 1960 г.

Сега измервателният уред се определя от скоростта на физическа константа, скоростта на светлината във вакуум.

Дефиниран е метър, равен на разстоянието, което светлината изминава за 1/299 792 458 секунди. Скоростта на светлината е, доколкото ни е известно, непроменена, поне за следващите милион години или така, което означава, че и този прототип на измервателния уред трябва да остане непроменен.

Физически обект, като лента с дължина от метър, може да се променя с течение на времето. Всъщност килограмът - Le Grand K - може да се е свил.

Малките разлики имат значение

Лесно е да забравите, че малките промени могат да доведат до голяма разлика. Ако авиокомпания във Франция поръча много точна част от Китай и тя е с тегло на частица грам, това може да има катастрофални последици.

Известно е, че Le Grand K се е променил от създаването си в края на 1800-те. За щастие не много, но достатъчно, че метролозите - учените, които се специализират в измервателните системи - се притесняват.

За да го защити, Le Grand K е държан в трезор. Това е 90 процента платина и 10 процента иридий. Комбинацията е почти толкова устойчива на химически промени, колкото златото, но е много по-трудна. За окото е толкова лъскав и без драскотини, както когато е създаден през 1889 година.

Все пак - времето прави своя отпечатък. Дори платината реагира малко с въздуха и може да привлече тънък слой мръсотия. Тази мръсотия трябва да се почисти, първо като се намаже прототипа с велур, напоен с етер и алкохол. След това се продухва с пара, направена от двойно дестилирана вода, и се оставя да изсъхне за около седмица.

Това достатъчно добре ли е? Никой не знае със сигурност. Но метролозите са наблюдавали промени в Le Grand K и неговите копия в Норвегия и много други страни. Теглото им се променя в сравнение помежду си по причини, които не са добре разбрани.

И проблемът е, разбира се, че никой не може да разбере дали тези малки разлики се дължат на промени в Le Grand K, или на прототипите - или и на двете.

Физически константи

Сега метролозите ще определят килограма въз основа на физическо постоянно число, което казва нещо основно за взаимоотношенията във Вселената.

По този начин килограмът ще бъде определен по начин, който е неизменен, като измервателния уред. Но за разлика от измервателния уред, който разчита на скоростта на светлината, килограмът ще разчита на константата на Планк. Това число описва връзката между цвета на леката частица и енергията, която има.

Червената светлина има по-малко енергия. Синята светлина има повече енергия. Но колко повече? Константата на Планк се използва за подпомагане на това изчисление. Това е число, което е изчезващо малко - 6,62607004 × 10-34, или шест десети от милионния милиард милиард милиард. Измерва се в единици, наречени джаул-секунди.

Ватов баланс

Физиката ни казва, че има връзка между електрическите заряди и масата. Устройството, използвано за измерване на това, се нарича баланс на вата или баланс на Кибъл, кръстен на британския физик Брайън Кибъл.

Балансът на Kibble изглежда малко като везна, където единият тиган е за претегляния обект, докато вторият тиган се използва за добавяне на тежести с известно количество, докато двата тигана се балансират.

Балансът на Kibble може да измерва масата, като балансира масата със силата, която се генерира, когато електрически ток протича през намотка в твърдо магнитно поле - по този начин работи електрическият мотор.

Колкото повече ток преминава през намотката, толкова по-силно е магнитното поле и по-силна сила. В крайна сметка магнитната сила балансира теглото на това, което искаме да измерим, и теглото може да бъде измерено с помощта на електричество.

Le Grand K, константа на Планк и константа на Авогадро

Въпреки това, не можете просто да забиете Le Grand K на върха на везна от Kibble, за да зададете новата константа за килограм. Първо, метролозите трябваше да установят с възможно най-голяма точност стойността на константата на Планк. След това те могат да използват баланса на Kibble, за да определят нов стандарт за килограма въз основа на константата на Planck.

Но за да бъдат сигурни, метролозите търсят и друг, допълващ се начин за създаване на прототип за килограм, базиран на химично число, наречено константа на Авогадро.

Тази константа е броят на атомите в определена единица, наречена мол, на веществото. Определена като 6,02 х 1023 или 602 000 000 000 000 000 000 000, константата на Авогадро е толкова голяма, колкото константата на Планк е малка. Използвайки това число, метролозите могат да определят килограма въз основа на размера на ултра чиста монокристална силициева сфера. Този втори подход все още се разработва.

Ако всичко върви по план, Le Grand K ще бъде заменен от новата дефиниция на килограма въз основа на константата на Планк на 20 май 2019 г. - който е метрологичен ден.

Но дотогава Le Grand K ще трябва да понесе голямото тегло като стандартния килограм. А Пека Нойвонен и Марит Улсет Нордсвен ще трябва да заключат физическия си норвежки колега, за да го пазят в безопасност.