Kilogrammet får en makeover

I Sèvres, en lille kommune i udkanten af ​​Paris, ligger en skinnende metalklump på størrelse med en håndflade. Le Grand K, eller Big K, som de kalder platin- og iridiumlegeringen, sidder under jorden i en højsikkerhedsboks. Den holdes under tre glasklokker, og kan kun hentes ved hjælp af tre separate nøgler, hver holdt af forskellige individer.

I modsætning til tilsyneladende, manipulation og tyveri er ikke den største bekymring for dem, der vogter Big K. I stedet, artefaktens vogtere har brugt de seneste år på at bekymre sig om, at legeringen ikke helt lever op til det ry, som den har haft i det sidste århundrede – at den ikke længere er præcis et kilogram i masse, men mikrogram lettere.

At være ude af vægten af ​​et sandkorn kan virke trivielt, men Big K er den internationale prototype af kilogrammet. Med andre ord, det er guldstandarden, som alle andre kilogram i verden måles efter. Den mindste uoverensstemmelse i Big K's nøjagtighed påvirker områder som medicin, elektronik og teknik, sektorer, hvor præcise målinger er altafgørende. Men et fluktuerende kilogram har også en bølgende effekt på andre fænomener - såsom kraft, energi og lysstyrke - der bruger det som byggesten til målinger.

På grund af de vidtrækkende konsekvenser en upræcis Big K har, videnskabsmænd søger nu efter en mere pålidelig og stabil standard for kilogrammet - en der ikke centrerer sig om et enkelt stykke metal. Deres mål:at omdefinere kilogrammet ved hjælp af en ny fysisk standard inden udgangen af ​​2018.

"Vi er ved at være vidne til en revolutionær ændring i måden, kilogrammet defineres på, " sagde fysiker Klaus von Klitzing, mens han talte på CERN i oktober sidste år. Von Klitzing, som vandt Nobelprisen i fysik i 1985, er en af ​​de videnskabsmænd, der er involveret i kilogrammets makeover.

Forandringen, mange argumenterer, er længe ventet. Kilogrammet er en af ​​syv basisenheder, der omfatter det internationale system af enheder (SI), det mest udbredte målesystem i verden i dag. Oprindeligt blev både kilogrammet og måleren defineret af prototyper, og tiden blev fastsat af jordens rotation, Men i mellemtiden er flere og flere basisenheder forbundet med fysiske mængder af natur, der forbliver de samme uanset tid eller sted.

Et sekund, for eksempel, er defineret som den tid det tager for cæsium-133 atomet at færdiggøre 9, 192, 631, 770 strålingsperioder for en specificeret overgang. En meter plejede at være repræsenteret af en metalstang opbevaret ved siden af ​​Big K i Frankrig, men er nu defineret af, hvor langt lys bevæger sig i et vakuum i løbet af 1/299, 792, 458 af et sekund.

Kilogrammet forbliver den eneste SI-enhed repræsenteret af en ustabil artefakt. Så i 2014 medlemmer af generalkonferencen om vægt og mål, det internationale organ, der fører tilsyn med SI-systemet, stemte for at omdefinere kilogrammet i form af Plancks konstant, en grundlæggende konstant for kvantemekanikken.

Omdefineringen er en stor sag, siger John Pratt fra National Institute of Standards and Technology (NIST), det organ, der er ansvarligt for standardisering af vægte og mål i USA. Den nye definition betyder, at vi kan skifte fra "en definition af masse fra det 19. århundrede til en mere definition af masse fra det 21. eller 22. århundrede, " sagde Pratt. "Vi kunne få det baseret på en idé mere end et objekt."

Når guldstandarden er ustabil, som Big K har bevist, det er en "stor besvær, " sagde Pratt. Big K's uberegnelige vægttab betyder, at dens søstercylindre - støbt fra Big K og sendt rundt om i verden til kalibrering - ikke længere er identiske med guldstandarden. NIST's kopier, for eksempel, adskiller sig fra Big K med cirka 45 mikrogram, vægten af ​​en øjenvippe. Det skabte kaos for flere år siden, fører til, at NIST genudsteder certifikater for sine kilogram, og virksomheder, der producerer vægte baseret på NISTs standarder, skal fremstille nye.

At omdefinere kilogrammet i henhold til Plancks konstant vil hjælpe med at undgå sådanne problemer helt. Imidlertid, fysikere skal først få et godt nok mål for Plancks konstant, det kvantemekaniske tal, der relaterer til, hvordan en partikels energi er relateret til dens frekvens og, gennem E=mc2, til sin masse. Når videnskabsmænd tildeler en nøjagtig fast værdi til Plancks konstant, de vil være i stand til at udlede en ny definition af kilogrammet.

To typer eksperimenter er i gang i øjeblikket, begge søger at måle Plancks konstant med ekstraordinær præcision. Det første er Avogadro-projektet, ledet af et internationalt hold af forskere. Det involverer at tælle antallet af atomer i to sfærer af silicium, der hver vejer det samme som Big K. Med dette tal – det præcise antal atomer, der udgør et bestemt stof – kan forskere beregne Avogadros konstant, omregne det til en værdi for Plancks konstant og dermed relatere kilogram til atommasse.

Den anden metode bruger en enhed kaldet watt, eller Kibble, balance. Det er en slags skala, der producerer en værdi for Plancks konstant ved at måle en testmasse på et kilogram, kalibreret ved hjælp af Big K, mod elektromagnetiske kræfter. Plancks konstant er proportional med mængden af ​​elektromagnetisk energi, der kræves for at balancere massen.

For at beregne den strøm og spænding, der udgør den elektromagnetiske kraft, fysikere ved NIST, hvem leder projektet, bruge to forskellige universelle konstanter. Den ene er Josephson-konstanten, mens den anden er von Klitzing-konstanten. Det var opdagelsen af ​​sidstnævnte, del af Quantum Hall Effect, som gav von Klitzing Nobelprisen i fysik i 1985.

Fem år tidligere, af Klitzing, fra Max Planck Institute for Solid State Research i Tyskland, udført eksperimenter for at observere effekten af ​​magnetiske felter påført halvledere, der var blevet afkølet til ekstremt lave temperaturer. Han opdagede, at i hans eksperimenter steg den elektriske modstand på en trinvis måde - en heltal brøkdel af et bestemt tal, 25, 812.807 ohm, som nu kaldes von Klitzing-konstanten.

Quantum Hall Effect, som fænomenet kaldes, bruges nu globalt til at kalibrere elektriske modstande. Forskere kan bruge von Klitzing-konstanten til at måle strøm i en wattbalance.

"Ved hjælp af fundamentale konstanter, vi har mulighed for at etablere enheder, der nødvendigvis bevarer deres betydning for alle kulturer, selv ujordiske og menneskelige, " var en visionær udtalelse fra Max Planck for mere end 100 år siden, og i dag har vi chancen for at realisere denne vision. Quantum Hall Effect udløste denne erkendelse.

Von Klitzing vil være i Singapore senere på måneden for at deltage i det årlige Global Young Scientists Summit. Den fem dage lange begivenhed, arrangeret af National Research Foundation Singapore, har til formål at lette interaktioner mellem lys, unge internationale forskere med fremtrædende videnskabsmænd til at diskutere nøgleområder inden for videnskab og forskning, teknologisk innovation og samfund, og løsninger på globale udfordringer.

Blandt emnerne til diskussion er kilogrammets makeover. I november, medlemmer af generalkonferencen om vægte og mål samles i Versailles, Frankrig, at stemme om den nye definition af kilogram, ved siden af ​​amperens, kelvin og muldvarp. Hvis godkendt, de opdaterede og faste værdier træder i kraft den 20. maj, 2019, på Verdens Metrologidag.