Forskere opdaterer fire centrale fundamentale konstanter

Baner vejen for at transformere verdens målesystem, en international taskforce har fastlagt opdaterede værdier for fire grundlæggende naturkonstanter. De opdaterede værdier udgør den sidste videnskabelige brik i puslespillet til omdefinering af det moderne metriske system, kendt som International System of Units (SI). Hvis det godkendes af et internationalt organ næste år, den reviderede SI vil gøre det muligt at foretage autoritative målinger overalt på planeten.

Tilpasningerne til konstanterne er små og påvirker ikke hverdagen. Men en revideret SI baseret fuldt ud på nøjagtige værdier af disse konstanter understøtter videnskab og handel og sikrer ensartet præcise målinger, der skaleres jævnt fra næsten uendelig til enorm.

Baseret på state-of-the-art målinger fra forskere rundt om i verden, de opdaterede værdier for konstanterne blev udarbejdet af Committee on Data for Science and Technology (CODATA) Task Group on Fundamental Constants (TGFC). Et papir med de nye værdier er blevet accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Metrologi .

Den 20. oktober, den internationale komité for vægte og foranstaltninger (CIPM) forelagde en beslutning, der anbefalede omdefinering af SI til generalkonferencen om vægte og foranstaltninger (CGPM), det officielle organ, der foretager ændringer af SI. I november 2018, CGPM vil formelt stemme om vedtagelsen af ​​det reviderede system. CGPM omfatter medlemmer fra snesevis af nationer, herunder USA og andre underskrivere af konventionen om måleren, 1875 -traktaten, der standardiserede måleenheder på internationalt plan.

I målingens verden, et SI baseret på fundamentale konstanter vil medføre et skift. Indtil nu, CODATA TGFC opdaterede værdierne for konstanterne hvert fjerde år, senest i 2014, og producerede denne særlige opdatering for de fire konstanter i år i påvente af den opdaterede SI.

"Værdierne for disse fire konstanter ændres ikke længere, "sagde Peter Mohr, en videnskabsmand ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og medlem af CODATA TGFC. Værdierne vil blive fastsat og angivet som nøjagtige værdier, han sagde, ligesom lysets hastighed i øjeblikket er defineret som en nøjagtig værdi. Dette vil igen give forskere mulighed for at fokusere på målinger, der sammenligner andre vigtige mængder med konstanterne.

Sammen med tidligere accepterede konstanter, de opdaterede værdier ville omdefinere SI's syv baseenheder, som inkluderer kilogram (masseenheden), kelvin (temperaturenheden), og ampere (enheden for elektrisk strøm).

Siden 1889 har kilogrammet er blevet defineret af en platin-iridium-cylinder opbevaret i Frankrig, kendt som den internationale prototype af kilogrammet, eller, "Le Grand K." Forskere fra hele verden har været nødt til at rejse til Frankrig og sammenligne deres landes kopier af kilogrammet med originalen for at etablere nøjagtige massemålinger i deres nationer.

I mellemtiden, temperaturen er blevet defineret i form af "triple point" i en forseglet glascelle med vand. Det tredobbelte punkt er temperaturen, ved hvilken vand, is og vanddamp findes i ligevægt. Imidlertid, vandet i disse celler kan indeholde kemiske urenheder, der kan flytte trippelpunktets temperatur til unøjagtige værdier. Og målinger af temperaturer højere eller lavere end vandets tredobbelte punkt er i sagens natur mindre præcise.

De opdaterede konstanter omfatter Boltzmann -konstanten (som relaterer temperatur til energi), og Planck -konstanten (som kan relatere masse til elektromagnetisk energi), elektronens ladning og Avogadro -konstanten (mængden, der definerer en mol af et stof).

"Der er ingen dramatiske ændringer. Boltzmann -konstanten er meget i overensstemmelse med tidligere værdier, "sagde Mohr." Temperatureksperterne anmodede om otte cifre for konstanten, og det sidste ciffer var tilfældigt 0, "fortalte han - en sjov situation for metrologer, da de kan opnå præcisionen på otte betydende cifre ved kun at skulle bruge syv.

"Der er forskellige måder at bestemme temperaturen på, men den nye definition vil være meget nyttig til måling af meget varme og meget kolde temperaturer langt væk fra vandets tredobbelte punkt, "sagde NIST's David Newell, formand for CODATA -opgavegruppen.

Planck -konstanten er forskudt nedad med 15 dele pr. Milliard fra dens tidligere værdi, på grund af nye data indsamlet siden 2014. Planck -konstanten blev bestemt ved to eksperimentelle teknikker, kendt som Kibble -balancen og Avogadro -metoden. Alle målinger, der blev brugt til at bestemme den nye Planck-værdi, opfyldte tidligere aftalte internationale retningslinjer for niveauer af nøjagtighed og konsistens med hinanden.

Planck -konstanten kan bruges til at definere kilogrammet, og brug af en grundlæggende konstant til at definere masse vil løse mange problemer, Sagde Newell. Massen skal måles i meget stor skala, fra et atom til et lægemiddel til en skyskraber. "I den lave ende, du bruger i øjeblikket en type fysik til at bestemme masse; i den høje ende, du bruger en anden type fysik, " han sagde.

Men Planck -konstanten vil give en konsekvent måde til at definere masse på tværs af alle disse skalaer, uanset hvilken laboratoriemetode der bruges til at måle masse.

"Det er ligegyldigt hvilken metode du bruger. En konstant er en konstant, "sagde Mohr.

Drømmen er at bruge Planck -konstanten til masse på samme måde som lys bruges til at måle afstand. I SI, lysets hastighed bruges allerede til at definere måleren, længdeenheden. "Du bruger lys til at måle afstanden til månen eller afstanden mellem siliciumatomer, "sagde han. Skiftet til et revideret SI er beregnet til at være problemfrit for næsten alle i verden.

"Det hele er gearet til ikke at have indflydelse på den gennemsnitlige person, "Sagde Mohr.

Men et SI baseret på de nye konstanter forventes at ændre metrologiens verden.

Le Grand K i Frankrig vil ikke længere præcist definere et kilo. I stedet, den vil sandsynligvis have en masse på lidt mindre eller lidt større end et kilo, til inden for 10 dele pr. milliard i usikkerhed.

Volt vil også ændre sig, da Planck -konstanten også vil hjælpe med at definere den i det reviderede SI. En volt baseret udelukkende på de grundlæggende konstanter vil være meget lidt mindre, omkring 100 dele pr. end den nuværende videnskabelige erkendelse af volt, oprettet i 1990. Så, metrologi-laboratorierne på topniveau bliver nødt til at kalibrere deres spændingsmålinger med høj præcision igen.

"Folk, der foretager sådanne højpræcisionsmålinger, vil bemærke skiftet, "Sagde Mohr.

Derfor er den officielle udrulning af det reviderede SI planlagt til 20. maj, 2019, på Verdens metrologiske dag, at give avancerede metrologer tid til at tilpasse sig de nye værdier.

"Det er et bredere filosofisk paradigmeskifte, "Sagde Mohr.

"Da lysets hastighed blev et fast tal, forskere stoppede med at måle lysets hastighed. De fokuserede på at realisere måleren. Det er det samme med Planck -konstanten. Du vil ikke længere måle Planck -konstanten. Du kommer til at realisere masse- og elektriske standarder mere præcist. "