Килограмът, както хората го знаят, скоро ще се промени завинаги

15 ноември 2018 г. в 6:45 сутринта

учените

[ЗАБЕЛЕЖКА: Тази история е актуализирана (виж отдолу), за да се вземе предвид гласуването.]

Ноември е време за избори и то не само за избирателите в САЩ. На 16 ноември стотици учени ще се съберат в Париж, Франция, за най-необичайните избори тази година, ако не и този век. Може би някога. Учените с право на глас няма да избират нови лидери или да приемат нови закони.

Те ще гласуват за нещо по-елементарно: определение.

Ако гласуването премине, те ще променят окончателно значението на думата килограм. Промяната ще помогне на учените и инженерите да измерват по-точно. Експертите се подготвят за това гласуване от десетилетие. Те са си свършили работата, ще решат задаващ се проблем - а останалата част от света дори няма да забележи.

Възпитатели и родители, запишете се за мамят

Седмични актуализации, които да ви помогнат да използвате Научни новини за ученици в учебната среда

„Ще отида и ще гласувам“, казва Питър Мор. Той е физик в Националния институт за стандарти и технологии (NIST) в Гейтерсбърг, Мичиган. Той също е виновен, поне частично, за вота. Преди двадесет години Мор помагаше да пише статии с аргумента, че килограмът се нуждае от ново определение.

Той очаква гласуването да премине с разноцветни цветове. „Надяваме се, че няма да има изненади“, казва той. "Но никога не се знае."

За да разберете защо смяната на килограм е голяма работа, трябва да помислите какво означава думата сега. И за да разберете това, трябва да посетите сигурен трезор в Европа. Тази тиха, малка стая се отваря само веднъж годишно.

Килограмът

Подземният свод е в Севр, Франция, близо до Париж. Вътре се крие необичайно съкровище с прякор Le Grand K. Известно е също като Международния прототип на килограма или IPK. Това е клякам цилиндър, изработен от полиран метал. Той е висок колкото палеца на някого и има диаметър, равен на височината му. Той се намира във вакуумно запечатан камбанен звънец и никога голи ръце не се справят с него!

За отключване на трезора са необходими не един, а три ключа, всеки от които е притежание на различно лице. Хао Фанг няма ключ, но е била в стаята. Тя е физик в Международното бюро за теглилки и мерки, което се грижи за Le Grand K. Всяка година е част от малка група учени, които влизат в трезора, за да посетят цилиндъра.

„Това е малка стая с много сензори“, казва тя. „Оставаме само за кратко, защото не искаме да нарушаваме околната среда. Проверяваме дали всичко е наред. ”

Това може да изглежда като много притеснение, но Le Grand K не е обикновен цилиндър. Всеки път, когато претеглите нещо или измерите масата му, точността на измерването ви зависи от Le Grand K.

Това е така, защото тази любопитна и лъскава малка дуда е точното определение на килограм - поне до 16 ноември.

Килограмите се използват за описване на масата на даден обект, което ви казва колко материя съдържа обектът. Топка за боулинг има маса около 5 килограма. Баскетболът има маса около 0,5 килограма. Ако сравните тези две числа, можете да потвърдите това, което вече сте знаели, като ги вземете. Топката за боулинг съдържа повече материя, отколкото баскетболна топка.

Ако живеете някъде, което измерва маса в лири, новата промяна ще се отрази и на вас. Това е така, защото един паунд се определя като 0,4536 килограма. Тази топка за боулинг е 11 килограма. А баскетболът е 1,1 паунда. И това означава, че ако дефиницията на килограм се промени, дефиницията на килограм също се променя.

По сегашното ни определение отбелязването, че топката за боулинг има маса 5 килограма, е същото като отбелязването, че тя съдържа точно пет пъти повече материя от Le Grand K. (Но, разбира се, не я учим по този начин, или кажете това. Ние не казваме това, защото това са много думи и защото звучи нелепо.) Всяко измерване на масата, независимо къде е направено или на какво е направено, без значение колко голямо или колко малко, се връща към Le Grand K.

И това е проблем, казват експерти. Ако дефинирате единица с физически обект като Le Grand K, трябва да помислите за някои странни проблеми. Например: Ами ако нещо се случи с цилиндъра?

„Ако някой изпусне IPK, масата на света ще се промени“, казва Стефан Шламингер. Той е физик в NIST, който работи по новата дефиниция. За част от секундата, отбелязва той, „всеки ще има грешно измерване“.

Обяснител: Quantum е светът на супер малкия

Но тази ситуация трябва скоро да се промени. Очаква се учените да гласуват повече да не определят килограм като масата на Le Grand K. Вместо това, килограмът ще бъде определен съгласно математическа формула, която използва естествена константа на Вселената. Нарича се константа на Планк. Константа е число, което не се променя. Константата на Планк е число, което се появява, когато учените изучават квантовата механика. Това са правилата, които описват поведението на субатомните частици.

Това ли е първият път, когато учените са решили нова дефиниция за килограма?

Не. Търсенето на точна единица маса има дълга история. Историците знаят, че римляните са имали система от теглилки и мерки например. Но в края на 18-ти век учените от цял ​​свят са разочаровани, тъй като единиците имат различни стойности в различните държави.

През 1799 г., по време на Френската революция, учените приеха специално проектирана медна метална пръчка като дефиниция на един метър (3,3 фута). Малък платинен цилиндър стана определението за един килограм (2,2 паунда). Цилиндърът представлява масата от 1000 кубически сантиметра вода близо до точката на замръзване.

Тези два обекта представляват началото на метричната система. През 1889 г. учени от цял ​​свят идват в Париж на среща, за да се договорят за единици, които всички те да използват. Наричаше се Генерална конференция по тежести и мерки. Това е същата група, която ще се срещне и гласува този месец. (Макар и с различни членове, разбира се.)

Метричната система все още е най-често използваната система в света.

Каква е метричната система така или иначе?

Метричната система е измервателна система, която използва седем така наречени „базови единици“. Те са част от Международната система от единици. Накратко се нарича SI система. Метърът и килограмът са две базови единици. Другите включват втория (време), келвина (температура), ампера (електрически ток), кандела (интензивността на светлината) и мола (броя на молекулите).

Една характеристика, която прави метричната система специална, е, че се базира на числото 10. Например 10 милиметра съставляват сантиметър. А 100 сантиметра (100 е 10 по 10) съставляват метър.

Никога не съм чувал за някои от тези базови единици.

Ако продължавате да изучавате наука, ще ги срещнете с всички.

Живея в САЩ и измерваме дължината във футове или мили, а теглото в лири. Защо трябва да ми пука?

Съединените щати не използват системата SI. Вместо това използва „обичайни единици“. В тази система дължината се измерва с помощта на единици като фута и инчове. Хората измерват теглото в килограми. Тази система не се основава на числото 10. Например 12 инча съставляват крак. Три фута съставляват двор. А 1760 ярда съставляват една миля.

Тези обичайни единици обаче са дефинирани от единици SI. Например, един килограм е точно 2,2 килограма. Така че промяната на дефиницията на килограм ще промени дефиницията на килограм.

Това звучи невероятно объркващо. Защо не всички имат една и съща система?

Трудно е да се научи една стара държава на нови единици.

Глоба. Използват ли учените все още меден прът за определяне на метър?

Не. Подобно на килограма, уредът има история на научен дебат, която датира от стотици години. През 1960 г. учените гласуват за оттегляне на медната пръчка. Те осъзнаха, че ако пръчката се промени, дори и малко, дефиницията на измервателния уред ще се промени. Например, какво, ако земетресение удари пръта наоколо и той загуби някои атоми?

Те промениха дефиницията на метър с дължината на електромагнитните вълни, произведени от форма на елемента криптон, наречен криптон-86. Криптон-86 е радиоактивен. Това означава, че излъчва енергия под формата на вълни.

Две десетилетия по-късно учените отново смениха уреда, за да бъдат още по-точни. Свързаха го със скоростта на светлината във вакуум. Тази скорост на светлината е естествена константа. Той никога не се променя и може да бъде измерен точно. За една секунда светлината изминава 299 792 458 метра (186 282 мили). От 1983 г. метърът е еквивалентен на това колко далеч се движи светлината за 1/299 792 458-та от секундата.

Споменахте куп други единици.

Пет, за да бъдем точни.

Нека позная. Те също са на гласуване?

Някои са. Метролозите искат ...

Спри се! Какво е метролог?

Метрологията е изследване на измерванията. Метролог е някой като Хао Фанг, учен, който се интересува от това как измерваме нещата.

Добре, разбрах. продължи.

Така че метролози като Питър Мор, Хао Фанг и Стефан Шламингер искат да свържат всички SI единици с основни константи.

Подобно на начина, по който измервателният уред е свързан със скоростта на светлината.

Точно. През ноември, освен килограма, учените ще гласуват и за нови дефиниции на келвина, ампера и бенката. Всички тези единици са обвързани с естествени константи. Въпреки това, килограмът е единствената единица, която все още е свързана с физически обект, Le Grand K.

Какво е името на естествената константа, използвана в новата дефиниция?

Не знам какво е това.

Той е кръстен на Макс Планк, немски физик, спечелил Нобелова награда за физика през 1918 г. Той показа, че енергията, предавана от фотоните - частиците, свързани със светлината - може да съществува само в малки пакети, наречени кванти. Константата на Планк свързва тази енергия с дължината на вълната на светлината. Трябва да изучавате квантова механика, за да разберете повече, но си струва труда.

Да се ​​върнем на Le Grand K. Имам още въпроси относно този лъскав цилиндър.

От какво е направено?

Това е 90 процента платина и 10 процента иридий.

Дали е единственият по рода си?

Да и не. IPK във Франция е официалният килограм. Но много страни имат свои собствени копия. Всяко копие е гравирано с номер. Нациите могат да използват тези копия като национален стандарт, така че метролозите не трябва да ходят във Франция всеки път, когато искат да проверят работата си. Проверката на масата по някой от тези стандарти обаче е тромава. И това е само един от проблемите с използването на Le Grande K като стандарт за килограма.

Какви са другите проблеми?

На всеки няколко десетилетия учените отварят трезора, за да почистят и проверят IPK. Това е дълъг и продължителен процес на почистване с пара и трябва да боравите с цилиндъра със специални пинсети и ръкавици. По време на една от тези проверки, през 1993 г., учените откриха голям проблем. Когато метролозите сравняват Le Grand K с официалните му копия, констатира се, че всички копия тежат повече от Le Grand K. Това означава, че или всички са спечелили маса, или Le Grand K е загубил някои. Но ако Le Grand K беше загубил маса, тогава определението за килограма се беше изместило.

Това е проблем не само за хората, които искат да мерят килограми. „Другите единици зависят от дефиницията на килограма“, казва Фанг. „Така че, ако IPK се промени в масата, другите единици също се променят. Това е проблем."

Може ли друго определение за килограм да преодолее тези проблеми?

Учените обсъждат това от десетилетия. Те са предложили много начини за предефиниране на килограма. Едната включва използването на перфектни сфери, изработени от силиций. Чрез преброяване на атомите в сфера и с помощта на математическо уравнение те могат да измерват константата на Планк. Тези сфери са изиграли важна роля в процеса на предефинирането.

Шламингер обаче отбелязва, че силициевата сфера има същия проблем като Le Grand K. "Тя ще се превърне в артефакт", казва той. „И винаги се притесняваме да използваме артефакта. Можете да го унищожите. Или го променете. "

Вместо силициевите сфери учените са избрали различен начин за измерване на константата на Планк - и по този начин предефинират килограма. Нарича се баланс на Кибъл.

Кибъл, както в храната за домашни любимци?

Не, Кибъл, както при Брайън Кибъл, британският физик, който го е изобретил. Той почина през 2016 г. Балансът Kibble (наричан по-рано баланс Watt) е везна, но не е като този, който използвате в банята. Той използва електричество и магнетизъм, за да балансира теглото на малък обект. Измерванията, направени по време на този балансиращ акт, могат да се използват за намиране на константата на Планк. След като константата на Планк бъде определена, скалата ще бъде калибрирана. След това учените могат да използват баланса на Кибъл - и някои математически уравнения - за да определят точната маса на даден обект.

Защо това е по-добро от IPK?

Фактът, че килограмът вече няма да бъде физически обект, предоставя няколко предимства. „Везната Kibble е машина и колкото повече я използвате, толкова по-добре се справяте с нея“, казва Шламингер. Той трябва да знае: Прекарва години, помагайки да проектира и тества най-новата версия на машината.

Освен това има повече от един баланс в килограми. NIST има такъв. Канада и Швейцария също. Франция има две. Със сигурност ще бъдат построени още. Това означава, че няма да е необходимо да пътувате до едно място, за да определите официална маса. И тъй като везната може да определи масата на обекти с различен размер, учените ще могат с висока точност да измерват неща, които са много по-малки и много по-големи от килограм.

И така, какво ще се случи, когато килограмът се промени от едно определение към друго?

Няма да забележите нищо различно. Учените официално ще приемат стойността на константата на Планк. От този момент нататък те ще използват тази стойност, за да определят масата. Те ще се обърнат към баланса на Kibble, за да разберат масата на даден обект, вместо да правят сравнение с IPK.

Какво ще се случи с Le Grande K?

Въпроси в класната стая

„Ще го запазим за исторически интерес“, казва Фанг. „Но вече няма да играе ролята на IPK.“ Въпреки това няма да бъде отложено веднага. Fang посочва, че балансът на Kibble е сложна машина, която изисква много време и човешка сила, за да работи. В краткосрочен план IPK и неговите сестри по света ще останат по-лесни начини за измерване на масата.

И промяната ще влезе официално в сила едва на 20 май 2019 г. Този ден се отбелязва като Световен ден на метрологията, защото отбелязва деня през 1875 г., във Франция, когато учените се съгласиха да използват същите единици в своите научни измервания.

Как да празнувам?

Актуализация: На 16 ноември 2018 г. Международното бюро за теглилки и мерки излезе с това изявление: „Днес в знаково решение представители от 60 държави гласуваха за предефиниране на Международната система от единици (SI), променяйки дефиницията на килограма в света, ампера, келвина и бенката, завинаги. " Всъщност за гласуването са присъствали представители само на 54 държави, отбелязва
Фиона Отри. Но те единодушно дадоха съгласието си по време на гласуване в 13:40 ч. Централноевропейско време, добавя тя. Атри работи за британската Национална физическа лаборатория.

(Забележка: Тази история е коригирана за по-ранна печатна грешка при описване на връзката между размера на цилиндъра и масата на водата, която се равнява.)

Споделя това:

Цитати

Списание: P. Richard et al. Основа за предефиниране на килограма. Метрология. Кн. 53, 28 септември 2016 г., стр. A6-A11. doi: 10.1088/0026-1394/53/5/A6.