Hvor meget vejer et kilo?

Kilogrammet vejer ikke et kilo mere. Denne triste nyhed blev annonceret under et seminar på CERN torsdag, 26. oktober af professor Klaus von Klitzing, som blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1985 for opdagelsen af ​​den kvantificerede Hall-effekt. "Vi er ved at være vidne til en revolutionær ændring i måden, kilogrammet defineres på, " erklærede han.

Sammen med seks andre enheder – meter, sekund, ampere, kelvin, muldvarp, og candela - kilogrammet, en masseenhed, er en del af det internationale system af enheder (SI), der bruges som grundlag for at udtrykke ethvert målbart objekt eller fænomen i naturen i tal. Denne enheds nuværende definition er baseret på en lille platin- og iridiumcylinder, kendt som "le grand K", hvis masse er præcis et kilogram. Cylinderen blev fremstillet i 1889 og, siden da, er blevet opbevaret sikkert under tre klokkeglas i en højsikret hvælving i udkanten af ​​Paris. Der er et problem:det nuværende standardkilo taber sig. Cirka 50 mikrogram, ved seneste kontrol. Nok til at være anderledes end de engang identiske kopier, der er gemt i laboratorier rundt om i verden.

For at løse dette vægt(y) problem, forskere har ledt efter en ny definition af kilogram.

Ved den kvartårige generalkonference om vægte og mål i 2014, det videnskabelige metrologisamfund blev formelt enige om at omdefinere kilogrammet i form af Planck-konstanten (h), en kvantemekanisk størrelse, der relaterer en partikels energi til dens frekvens, og, gennem Einsteins ligning E = mc2, til sin masse. Plancks konstant er et af de fundamentale tal i vores univers, en mængde fastsat universelt i naturen, såsom lysets hastighed eller den elektriske ladning af en proton.

Plancks konstant vil blive tildelt en nøjagtig fast værdi baseret på de bedste målinger opnået på verdensplan. Kilogrammet vil blive omdefineret gennem forholdet mellem Plancks konstant og masse.

"Der er ikke noget at være bekymret over, " siger Klaus von Klitzing. "Det nye kilogram vil blive defineret på en sådan måde, at (næsten) intet vil ændre sig i vores daglige liv. Det vil heller ikke gøre kilogrammet mere præcist, det vil bare gøre det mere stabilt og mere universelt."

Imidlertid, redefineringsprocessen er ikke så enkel. Den internationale komité for mål og vægt, det styrende organ, der er ansvarligt for at sikre international aftale om målinger, har stillet strenge krav til den procedure, der skal følges:tre uafhængige eksperimenter, der måler Planck-konstanten, skal blive enige om den afledte værdi af kilogrammet med usikkerheder under 50 dele pr. og man skal mindst opnå en usikkerhed under 20 dele pr. milliard. Halvtreds dele pr. milliard svarer i dette tilfælde til cirka 50 mikrogram - omtrent vægten af ​​en øjenvippe.

To typer eksperimenter har vist sig i stand til at forbinde Planck-konstanten til masse med en sådan ekstraordinær præcision. En metode, ledet af et internationalt team kendt som Avogadro Project, indebærer at tælle atomerne i en silicium-28 kugle, der vejer det samme som referencekilogrammet. Den anden metode involverer en slags skala kendt som en watt (eller Kibble) balance. Her, elektromagnetiske kræfter opvejes af en testmasse kalibreret i henhold til referencekilogrammet.

Og det er her den vigtige opdagelse, som Klaus von Klitzing gjorde i 1980, hvilket gav ham Nobelprisen i fysik, kommer i spil. For at få ekstremt præcise målinger af strømmen og spændingen, der udgør de elektromagnetiske kræfter i wattbalancen, videnskabsmænd bruger to forskellige kvanteelektriske universelle konstanter. En af disse er von Klitzing-konstanten, som er kendt med ekstrem præcision, og kan igen defineres ud fra Planck-konstanten og elektronens ladning. Von Klitzing-konstanten beskriver, hvordan modstand kvantiseres i et fænomen kaldet "kvante Hall-effekten". et kvantemekanisk fænomen observeret, når elektroner er indespærret i et ekstra tyndt metallisk lag udsat for lave temperaturer og stærke magnetiske felter.

"Dette er virkelig en stor revolution, " siger von Klitzing. "Faktisk, det er blevet kaldt den største revolution inden for metrologi siden den franske revolution, da det første globale system af enheder blev introduceret af det franske videnskabsakademi."

CERN spiller sin rolle i denne revolution. Laboratoriet deltog i et metrologiprojekt lanceret af det schweiziske metrologikontor (METAS) for at opbygge en wattbalance, som vil blive brugt til at udbrede definitionen af ​​det nye kilogram gennem ekstremt præcise målinger af Planck-konstanten. CERN leverede et afgørende element i wattbalancen:det magnetiske kredsløb, som er nødvendig for at generere de elektromagnetiske kræfter, der balanceres af testmassen. Magneten skal være ekstremt stabil under målingen og give et meget homogent magnetfelt.