Suur muutus: rahvad määratlevad kilogrammi uuesti

WASHINGTON – inimkond tegi just kaaluka otsuse. Reedel kiitsid Prantsusmaal Versailles'sse kogunenud enam kui 60 riigi esindajad heaks kilogrammi uue määratluse.

Alates 19. sajandist on teadlased põhilise massiühiku määratluse aluseks võtnud füüsikalise objekti – särava plaatinairiidiumi silindri, mida hoitakse Prantsusmaal Sevresis asuva Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Büroo (BIPM) sisikonnas lukustatud kambris. Kilogramm oli võrdne selle vananeva metallitüki raskusega ja see silinder kaalus definitsiooni järgi täpselt kilogrammi. Kui silinder kasvõi natukene muutus, siis pidi muutuma ka kogu globaalne mõõtesüsteem.

Reedese hääletusega defineerisid teadlased 21. sajandi kilogrammi uuesti, sidudes selle universumi põhitunnusega – kvantfüüsikast pärit väikese kummalise kujundiga, mida nimetatakse Plancki konstandiks ja mis kirjeldab väikseimat võimalikku energiaühikut.

Tänu Albert Einsteini ilmutusele, et energia ja mass on omavahel seotud, võib selles ühikus oleva energia täpse määramine võimaldada teadlastel määratleda massi Plancki konstandi kaudu – väärtus, mis peaks püsima ruumis ja ajas – selle asemel, et tugineda muutumatule metallile. silinder. (Mass määrab millegi kaalu ning enamikul juhtudel on mass ja kaal omavahel asendatavad.)

Reklaam Story jätkub reklaami all

Ümbermääratlemine on aastakümnete pikkuse ülemaailmse püüdluse tulemus mõõta Plancki konstanti piisavalt täpselt, et see arv taluks teaduslikku kontrolli.

Kuigi äsja määratletud kilogramm ei mõjuta teie vannitoa skaalat, on sellel praktilisi rakendusi teadusuuringutes ja tööstusharudes, mis sõltuvad täpsest mõõtmisest.

Reedene hääletus oli enamasti formaalsus; kõik asjaosalised teadsid, et resolutsioon läheb vastu. Kuid Jon Pratti, selle ülemaailmse jõupingutuse ühe eestvedaja jaoks oli sündmus rohkem kui sümboolika, suurem kui äri ja isegi füüsika.

Pratt ütles, et praegusel vägivalla ja vitrioli ajastul, kui tundub, et inimestel on nii vähe asju, millega kokku leppida, on ümberdefineerimine midagi ülevat.

Lugu jätkub kuulutuse all

See on muutumatu tõe tunnistamine – et loodusel on seadused, millele me kõik allume. Ja see on veel üks samm kõrge unistuse poole – et loodusseaduste mõistmisel saavad teadlased aidata luua paremat maailma.

Teadlane muigas, lammas. 'See on emotsionaalne hetk,' ütles ta. 'Ma olen meie liigi üle väga uhke.'

'Le Grand K' maha jätmine

Gaithersburgis (Md.) asuvas riiklikus standardite ja tehnoloogia instituudis (NIST), kus Pratt töötab, kirjeldatakse mõõtmist sageli kui kaasaegse maailma 'nähtamatut infrastruktuuri'. Kõik, mida inimene teeb – olgu see siis kella vaatamine, ilmaennustamine, eine valmistamine, raketi ehitamine, lepingu allkirjastamine, sõjapidamine – nõuab mingisuguseid mõõtmisi.

Lugu jätkub kuulutuse all

Rahvusvaheline mõõtühikute süsteem ehk SI on see, mis meil seda võimaldab
mõõtmiste edastamiseks kogu maailmas. See süsteem, mis sai alguse valgustusajastu uimastest aegadest, pidi lõpetama nääklemise Hispaania varade arvu üle Briti vaos ja leevendama kaupmehe ärevust, kes ostis kaupu Hollandist, kus kaaluühik põhines laeva trümmi mahtuva kala kogusel ja müüdi neid Prantsusmaal, kus kaal oli seotud nisutera raskusega.

Süsteemi ühe looja moto 'kõigiks aegadeks ja kõigile inimestele' kuulub Pratti lemmiklausete hulka.

'See on nii optimistlik vaade,' ütles Pratt. 'Ta lihtsalt kujutas ette seda teaduse äri. . . oli suur jõud vabadusele ja suur jõud maailma edasiviimiseks.

Lugu jätkub kuulutuse all

1875. aastal muutis süsteemi ametlikuks meetri lepingu allkirjastamine. Kaks plaatina- ja iriidiumiprototüüpi – meetri pikkune latt ja kilogrammmassiline silinder – sepistati, et olla kogu maailma standardühikud. BIPM jagas allakirjutanud riikidele iga prototüübi koopiad; sajandi vanune USA rahvuskilogramm istub endiselt Pratti labori koridoris asuvas lukustatud ruumis klaasvitriinis.

Teaduse ja kaubanduse arenedes laienes SI, et hõlmata ka muud tüüpi mõõtmiste ühikud, ja määratlusi vaadati läbi, et võimaldada suuremat ja suuremat täpsust. Arvesti prototüüp loobuti sellest, et valgus läbib vaakumis ühe 299 792 458 sekundi jooksul. Sekundi pikkus seostati tseesiumi elemendi kiirgustsüklitega.

Need väärtused— valguse kiirus, aatomite käitumine, elektromagnetismi olemus —on looduse põhijooned, mis ei muuda seda, kas vaatleja on Maal või Marsil, olgu aasta 1875 või 2018.

Lugu jätkub kuulutuse all

Kuid kilogrammi kaaluva prototüübi, mida tuntakse kui 'Le Grand K', valmistasid inimesed ja sellele kehtivad kõik meie piirangud. Sellele ei pääse ligi – silindrit sisaldava seifi saavad avada vaid kolm hoidjat, kellel on kolm erinevat võtit, sündmus, mida objekti 139-aastase ajaloo jooksul on juhtunud vähem kui tosin korda. Ja see on ebajärjekindel – kui Le Grand K-d 1980. aastatel uuriti, kaalus see mitu mikrogrammi vähem, kui ta pidi. See tähendas, et igaüks, kes valmistas tooteid standardite alusel, pidi oma kaalu uuesti välja andma. Tootjad olid vihased. Kutsuti seadusandjad. Metrolooge, mõõtmisi uurivaid inimesi süüdistati ebakompetentsuses.

Niisiis otsustas metroloogiaringkond 2014. aasta BIPM-i koosolekul kilogrammi uuesti määratleda. Kuid Plancki konstandi väärtus oli endiselt ebakindel ja teadlased ei suutnud kilogrammi ilma selleta uuesti määratleda.

'Täiuslikkuse taga'

On möödunud rohkem kui 100 aastat ajast, mil kvantfüüsik Max Planck avastas, et energiat väljendatakse diskreetsetes ühikutes – see tähendab, et see on 'kvanteeritud'. Kuid tema konstanti – arvu, mis kirjeldab nende energiapakettide suurust – on olnud raske kindlaks teha.

Reklaam Story jätkub reklaami all

On ainult kaks eksperimentaalset seadistust, mis võimaldavad teadlastel seda arvu arvutada, ja mõlemad nõuavad haruldasi ja kalleid tööriistu.

Üks tehnika hõlmab kõigi aatomite loendamist täiesti ümmarguses ränisfääris.

Teine võimalus kasutab ülitäpset kaalu, mida nimetatakse vattikaaluks ja mis mõõdab objekti massi, arvutades selle tõstmiseks vajaliku jõu. See pole tavaline skaala; see võttispaar Briti teadlasimitu aastakümmet instrumendi leiutamiseks ja viimistlemiseks ning maailmas on ainult kaks piisavalt võimsat seadet, mis vastavad BIPM-i kõrgetele täpsusstandarditele.

Üks on Kanadas. Teine istub Pratti laboris NIST-i keldris.

Lugu jätkub kuulutuse all

'See on tõesti ilus instrument,' ütles Pratt hiljutisel külaskäigul terasest korpusega ruumi, kus hoitakse tasakaalu. 'Mulle meeldib lihtsalt siia tulla ja seda vahtida.'

Tohutu metallmasin, mille ehitamiseks kulus viis aastat, on profikorvpalluri kõrgune ja läikiv nagu diskopall, millel on volframkarbiidist tugipunkt, mille küljes on tasakaal, ja ühetonnine magnet, mis aitab jõudu tekitada. Katsete ajal asetatakse kogu kaal vaakumkambrisse. Igaüks, kes seda instrumenti kasutab, peab kandma juuksevõrku, laborikitlit ja saapaid. Pratt ja tema kolleegid mõõdavad kõiki tegureid, mis võivad nende tulemust mõjutada, alates ruumi temperatuurist kuni Maa gravitatsiooni tugevuseni.

'Füüsika mõttes jahime siin tõesti täiuslikkust,' ütles Pratt. 'Meil on tõesti vaja, et asjad käituksid täpselt nii, nagu nende idealiseeritud versioonid.'

Lugu jätkub kuulutuse all

2014. aasta resolutsioon nõudis, et vähemalt üks instrument pidi arvutama Plancki konstandi määramatuseni vaid 20 osa miljardi kohta.— või 0,000002 protsendi piires sellest, mida peetakse õigeks.

30. juunil 2017, päev enne BIPM-i kaalude ja mõõtude komiteele väärtuse esitamise tähtaega, avaldas Pratt ja tema meeskond lõpuks sellele standardile vastava tulemuse.

Plancki konstant on 6,626069934 x 10^{-3. 4}kg ∙ m²/s, ütlesid nad. Ja nende määramatus oli vaid 13 osa miljardist.

See arv võib olla juhuslikule vaatlejale vaevu arusaadav. Kuid Prattile tundus hetkeks selle mõõtmine, nagu oleks mõni kosmiline eesriie kergitatud, paljastades universumi sisemise töö.

Siin, ebaselge föderaalagentuuri vastukajavas keldris, oli ta ja ta karvavõrudega nohikute meeskond jõudnud ühele täiuslikkuse standardile nii lähedale kui ükski inimene kunagi varem. Nad olid ületanud oma inimlikud eelarvamused ja maised vead, et teha vaatlus nii täpseks, et see toimiks 'igati ja kõigi inimeste jaoks' – või vähemalt päevani, mil teadlased suudavad kardina veel ühe voldi tagasi tõmmata, kõrvaldades ühe. rohkem ebakindlust selle füüsika põhifakti suhtes.

Pratt ja tema kolleegid pole ainsad teadlased, kes on kulutanud suurema osa viimasest kümnendist Plancki konstandi taga.Kanada vattide tasakaalu kasutavad teadlased on saavutanud mõõtmise veelgi väiksema määramatusega kui NIST-i oma. Saksamaa ja Jaapani meeskonnad andsid ränisfääri tehnikat kasutades sarnaselt täpsed mõõtmised.

Kuid kõik mõõdud ei nõustunud. Metroloogiakogukonnas, kus karjääri saab panustada kümnendkohtade üle võltsile, võis see lahknevus olla katastroofiline. 'Seal oli palju ääristamist ja räuskamist ning ühel hetkel tekkis küsimusi, kas [hääletus] üldse toimub,' ütles Pratt.

Kuid ka see arutelu oli protsessi oluline osa. Vaid korduvate vaatluste, ümberlükkamiste ja kinnituste kaudu saab ideest globaalselt aktsepteeritud fakt. See teebki teaduse teadlastest suuremaks; nii me teeme kindlaks, et miski on tõsi.

Sellegipoolest ei oodanud Pratt arutelu lõppu, et saada NIST-i väärtus Plancki konstantse tätoveeringu kohta tema küünarvarrele – 10-kohaline number ja illustratsioon kujust, mis hoiab kinni meetrisest kangist ja kilogrammist silindrist. Ja selle kohal olid prantsuse keeles sõnad, mis on metrolooge algusest peale juhtinud:Igal ajal, kõikidele rahvastele.

Kõigi aegade, kõigi inimeste jaoks.