Adieu, Le Grand K:Kilogrammet, der skal redefineres for første gang i 130 år

I en underjordisk hvælving i en forstad til Paris ligger en lille, sjældent set metalcylinder kendt som Le Grand K.

I 130 år, denne hunk af golfboldstørrelse på 90% platin og 10% iridium har fungeret som den internationale prototype kilogram. Det betyder, at det var det eneste fysiske objekt, hvormed alle andre kilogram over hele planeten blev målt.

Hvis mikroskopiske kontaminanter i luften fik Le Grand K til at vokse en smule tungere, selve kilogrammet blev lidt tungere. Hvis en grundig rengøring eller en lille ridse fik den til at blive så let lettere, selve kilogrammet blev også lettere. Ja, det anslås, at i løbet af sin levetid, Le Grand K har tabt 50 mikrogram masse.

Men den lange regeringstid i Le Grand K er ved at være slut.

Fra mandag, kilogrammet vil blive omdefineret ikke af et andet objekt, men af ​​en grundlæggende egenskab af naturen kendt som Plancks konstant. Ligesom lysets hastighed, værdien af ​​Plancks konstant kan ikke svinge - den er bygget med udsøgt præcision ind i selve universet.

"I modsætning til et fysisk objekt, en grundlæggende konstant ændrer sig ikke, "sagde Stephan Schlamminger, en fysiker ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Md. "Nu vil et kilo have den samme masse, uanset om du er på Jorden, på Mars eller i Andromeda -galaksen. "

Forskere, der har viet deres liv til målingens videnskab, siger den nye definition af kilogrammet - og lignende ændringer i muldvarpen (som måler mængder af meget små partikler), ampere (som måler elektrisk ladning) og kelvin (som måler temperatur) - repræsenterer et dybt vendepunkt for menneskeheden.

"Evnen til at måle med stigende nøjagtighed er en del af udviklingen af ​​vores art, sagde Walter Copan, direktør for NIST.

De fleste af os almindelige mennesker vil næppe bemærke skiftet. En kylling på 4 pund (1,81437 kilo) i købmanden eller et pund kaffebønner (0,453592 kg) på Starbucks vil forblive nøjagtig den samme.

"Vi vil ikke chokere systemet, "Sagde Schlamminger.

Beslutningen om at omdefinere fire baseenheder i det internationale enhedssystem blev truffet i november på den 26. generalkonference om vægte og foranstaltninger i Versailles, Frankrig. Delegater fra 60 medlemsstater samledes i et stort auditorium til den historiske afstemning. Det var enstemmigt. En stående applaus og champagneskål fulgte.

"Selve mødet var en elektrisk oplevelse, sagde Copan, der repræsenterede USA "Det var en lang rejse at komme til dette punkt."

Oprindelsen af ​​det metriske system går tilbage til den franske revolution i slutningen af ​​1700'erne. På det tidspunkt, anslået 250, 000 forskellige måleenheder blev brugt i Frankrig, gør handel og handel til en udfordring. Det nye system var designet til at være rationelt og universelt, med enheder baseret på naturegenskaber frem for kongelig anordning eller lokale hertuger og magistrats luner.

"Tanken var, at disse målinger ville være evige og ens for alle, overalt, "sagde Ken Alder, en videnskabshistoriker ved Northwestern University i Evanston, Syg.

Systemets grundlæggende enhed var måleren, som skulle være en ti-milliontedel af afstanden fra Nordpolen til ækvator langs Paris-meridianen. (Forskere lavede dengang en lille fejl i deres målinger, og måleren er cirka 2 millimeter længere end den burde være.)

På samme tid, kg blev defineret som massen på 1, 000 kubikcentimeter vand ved 4 grader Celsius.

Disse enheder blev vedtaget af Den Franske Republik i 1795, selvom det i praksis er mennesker fortsatte med at bruge deres egne lokale målinger i årtier.

"Det er ikke sådan, at alle hoppede på vognen, så snart det metriske system blev formaliseret, "sagde Barry Taylor, en videnskabsmand emeritus ved NIST. "Det var bestemt ikke tilfældet."

Lande i Europa og Sydamerika vedtog det metriske system i hele det 19. århundrede. I 1875, delegerede fra USA og 16 andre lande underskrev metertraktaten i Paris. Det etablerede et universelt system af enheder baseret på måleren, kilogrammet og det andet, der ville effektivisere handelen mellem nationer. (Den anden blev defineret som 1/86, 400 af den gennemsnitlige tid, det tager for Jorden at gennemføre en enkelt rotation på sin akse.)

Selvom måleren og kilogrammet var baseret på Jordens størrelse, de blev officielt defineret af metalgenstande, herunder Le Grand K, der blev støbt i London i 1889 og opbevaret i en hvælving i kælderen på det nyoprettede International Bureau of Weights and Measures i Sevres, Frankrig. Medlemsnationer modtog en af ​​40 præcise kopier.

Målertraktaten oprettede også generalkonferencen om vægte og mål (CGPM), en international gruppe, der har til opgave at studere og stemme om foreslåede ændringer af måleenheder for alle medlemsstater.

"Metrologi er en levende videnskab, "Sagde Schlamminger.

CGPM godkendte yderligere tre baseenheder i 1954 - amperen til elektrisk strøm, kelvin for termodynamisk temperatur og candela for lysstyrke.

I 1967, det omdefinerede det andet baseret på oscillationerne af et cæsium-133-atom-et meget mere præcist og pålideligt pendul end Jordens lidt vaklende rotation.

I 1983, måleren blev den første metriske enhed, der var knyttet til en grundlæggende egenskab ved universet, da den blev omdefineret, da den afstand, lyset tilbagelagde i et vakuum i {99, 792, 458 sekunder.

"I dag kan vi måle afstanden fra jorden til en satellit 6 kilometer væk til den udsøgte præcision på 6 millimeter, "Sagde Schlamminger." Prøv det med en meterpind. "

Og alligevel forblev kilogrammet bundet til massen af ​​Le Grand K, en genstand, der var så værdifuld, at den kun blev fjernet fra sin tredobbelte hvælving en gang hvert 40. år til rengøring og kalibrering.

Metrologer har længtes efter at opdatere definitionen af ​​kilogrammet siden begyndelsen af ​​1900'erne, men evnen til at måle Plancks konstant med den nødvendige præcision materialiseret først for nylig.

Plancks konstant er et tal, der relaterer lysets energi og frekvens, lidt ligesom hvordan pi forholder omkredsen og diameteren af ​​en cirkel. De teknologiske fremskridt, der fikseret værdien af ​​konstanten, kom i passer og starter.

I 1970'erne, forskere ved Storbritanniens National Physical Laboratory udviklede en ny type skala, der relaterer masse til elektromagnetisk kraft. Det blev navngivet Kibble -balancen til ære for sin opfinder, Bryan Kibble, og selv om det endnu ikke var præcist nok til at omdefinere kilogrammet, det foreslog en vej frem.

I 2005, målinger foretaget med Kibble -balancen var forbedret nok til, at en gruppe forskere kendt blandt metrologer som Five of Gang skrev et papir med titlen:"Omdefinering af kilogrammet:en beslutning, hvis tid er kommet."

"Det papir startede virkelig hele denne odyssé, "Sagde Schlamminger.

I 2013, eksperter var enige om, at for at ændre definitionen, nationale metrologiske institutter skulle måle Plancks konstant til en præcision på 20 dele pr. og viser, at to forskellige måder at foretage målingen ville give det samme svar.

"Et eksperiment kan have en skjult defekt, men hvis du har to helt forskellige tilgange, og de er enige, så er chancen for at du tager helt fejl forkert meget lav, "sagde Ian Robinson, en forsker ved National Physics Laboratory.

Kibble -saldi gav en værdi. Den anden måling involverede en kugle i softball-størrelse af rent beriget silicium. Strukturen af ​​1-kilos kuglen, og atomerne inde i den, tillod forskere at måle Avogadros konstant præcist, som relaterer antallet af atomer eller molekyler i et stof til dets masse. Det blev brugt til at bestemme Plancks konstant ved hjælp af velforståede ligninger.

"Siliciumkuglen tjente som en kontrol af Kibble -balancemetoden, "Sagde Taylor.

En lignende filosofi om at bruge faste konstanter ligger til grund for de nye definitioner af muldvarpen, kelvin og ampere. Efter mandag, muldvarpen vil blive defineret af værdien af ​​Avogadros konstant, kelvin ved værdien af ​​Boltzmann -konstanten (som relaterer temperatur til energi), og ampere med værdien af ​​elementær ladning, den mindste observerbare ladning i universet.

"Alle har adgang til disse grundlæggende konstanter, "Sagde Schlamminger." De skelner ikke mellem rige og fattige. Det eneste du skal bruge er lidt fysik. "

De skelner heller ikke mellem jordboere og væsener andre steder i universet. Ligesom den første iteration af det metriske system effektiviserede kommunikation og handel mellem nationer, de nyligt definerede enheder kunne en dag hjælpe menneskeheden med at kommunikere med udenjordiske, sagde forskere.

"Hvis vi får kontakt med udlændinge, hvad skal vi tale med dem om? Fysik. Der er ikke andet, "Sagde Schlamminger." Men hvis du fortæller udlændinge, at vores måleenheder er baseret på et metalstykke, du vil være galaksens latter. "

Forskere ved ikke, hvordan de nye enheder vil påvirke fremtidige opdagelser, men det er bestemt muligt at de vil. For eksempel, den anden kan nu måles så præcist, at forskere kan registrere små ændringer i Jordens tyngdefelt, fordi tiden bevæger sig bare en smule hurtigere, jo længere den kommer fra et tyngdepunkt.

"Lord Kelvin, sagde en af ​​lederne inden for metrologi, 'At måle er at vide, "" Sagde Copan. "Da vi er i stand til at måle med stigende præcision, vi er i stand til at lære mere om det grundlæggende i vores univers og det grundlæggende i livet. "

Robinson sagde, at de nye definitioner vil give forskere mulighed for at åbne deres fantasi omkring målingens muligheder.

"Fra nu af, de behøver ikke tænke på denne klump platin og iridium i Paris - de skal bare tænke på fysik, " han sagde.

© 2019 Los Angeles Times
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.