Cursa către noul kilogram
De ani de zile, oamenii de știință se luptă reciproc pentru a găsi o nouă bază pentru fizică. Întrebarea este: Cum puteți înlocui kilogramul original din Paris cu o metodă de măsurare precisă? Decizia va fi luată la sfârșitul lunii iunie.
Din 1889, un cilindru de platină-iridiu a fost blocat într-o suburbie a Parisului - kilogramul original. Dar micul său defect afectează lumea științei: kilogramul original a slăbit. 50 de micrograme - 50 de milionimi de gram - par să fi dispărut în aer în decursul unui secol. „Asta este foarte, foarte puțin și practic nu o observi în viața de zi cu zi”, explică Henri Baumann de la institutul elvețian de metrologie METAS de lângă Berna.
Cu toate acestea, este mai mult decât o pată, deoarece kilogramul inițial definește exact ce este un kilogram - indiferent dacă este cu 50 micrograme prea ușor sau se destramă în jumătate - este și rămâne un kilogram. Aceasta este definiția actuală. În acest din urmă caz, lumea ar fi doar de două ori mai grea și un kilogram de aur sau grâu ar fi brusc de două ori mai scump.
Gardienii greutății vor să elimine această incertitudine și să redefinească kilogramul folosind o constantă naturală. Despre o constantă care nu poate fi schimbată și nu, ca înainte, despre un obiect care poate pierde masă. Oamenii de știință din Japonia, Elveția, Canada, Germania și SUA încearcă acum să se depășească reciproc în ceea ce privește acuratețea. În cele din urmă, vor să redefinească ce înseamnă un kilogram. Oamenii de știință au până la sfârșitul lunii iunie să prezinte o nouă definiție care să îndeplinească cerințele internaționale.
Atomii acestei sfere ar putea înlocui kilogramul original
„La început a fost relativ relaxat. Dar, ulterior, te pui practic sub presiune pentru a te îmbunătăți în continuare și pentru a depăși ceea ce ai realizat ”, explică Arnold Nicolaus, fizician la Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) din Braunschweig. În mână ține o minge strălucitoare, neagră și gri. Este cea mai perfectă sferă artificială din lume - sfera din siliciu.
Mingea de un milion de euro
Este experimentul cu care PTB intră în cursă pentru a redefini kilogramul. Este mai puțin despre mingea strălucitoare, ci despre conținutul ei - atomii de siliciu. Mai precis siliciu-28, unul dintre cei trei izotopi de siliciu stabili. Atomii stau exact la aceeași distanță unul de celălalt în rețeaua de cristal - iar greutatea lor nu se schimbă - nici măcar peste o sută de ani. Întrebarea pe care o pun cercetătorii de la Braunschweig este: Câți atomi alcătuiesc un kilogram? Răspunsul este foarte probabil în regiunea de 21 de miliarde, un număr cu 24 de zerouri.
Cristalul brut de înaltă puritate a fost produs în centrifugele atomice rusești. Punct de cost: un milion de euro. „Să știi că conduci în prezent un milion de dolari, este un sentiment interesant”, explică Rudolf Meeß de la PTB. Inginerul este responsabil pentru a face sfera cât mai rotundă din punct de vedere uman. Acesta este singurul mod prin care colegii săi pot calcula ulterior exact câte atomi de Si-28 sunt într-o sferă.
Rudolf Meeß și angajații săi din atelier
„Știm acum câți atomi se încadrează într-un centimetru. Acesta este motivul pentru care „doar” trebuie să măsurați diametrul sferei pentru a afla volumul. Atunci știi câți atomi sunt în sferă. Înmulțim asta cu masa de siliciu-28 și apoi avem imediat masa acestei sfere ", explică Arnold Nicolaus, care este responsabil pentru măsurarea sferelor.
Cu toate acestea, nici o minge nu este perfect netedă și nici o minge nu este la fel ca alta - Rudolf Meeß și echipa sa nu au reușit încă asta. Dacă măriți suprafața, bilele seamănă uneori mai mult cu cartofii rotunzi cu câteva picături, negi și movile. De asemenea, fizicianul Arnold Nicolaus trebuie să le măsoare cu precizie. „Dacă ar fi să spunem aici că măsurăm doar în două puncte, atunci poți să-l ratezi - dacă tocmai ai măsurat peste un maxim, ai supraestima sfera.”
Foaia din teancul de hârtie de 10 km
Cu experimentul, cercetătorii Braunschweig doresc să lege greutatea unui kilogram cu constanta Planck h. O cantitate de bază din lumea fizicii cuantice. Descrie cea mai mică unitate posibilă de energie care poate fi fie emisă, fie absorbită în fizică. Cu toate acestea, valoarea constantei nu este încă stabilită în piatră, dar are o incertitudine de la a opta zecimală. Oamenii de știință sunt acum pregătiți să schimbe acest lucru: dacă reușiți să determinați exact constanta, veți redefini kilogramul. „Dacă vă imaginați acum un teanc de hârtie înalt de 10 kilometri, atunci trebuie să putem afla care foaie de hârtie a fost pusă incorect. Acest lucru corespunde aproximativ cu acuratețea experimentului. Deci, trebuie să măsurăm până la locul opt după punctul zecimal ”, explică Henri Baumann de la institutul elvețian de metrologie METAS de lângă Berna. Numai așa nu s-ar schimba nimic prin redefinire.
Henri Baumann și cântarele sale
El a jucat cu cântare de precizie în spatele ușilor strict închise - o abordare complet diferită a redefinirii kilogramului: „Cu excepția constantei lui Planck și a faptului că se încearcă obținerea kilogramului ca punct de plecare, experimentele nu sunt comparabile. “, Explică Baumann.
În loc să obțină masa unui kilogram dintr-un anumit număr de atomi, cântarele ar trebui să poată cântări exact un kilogram. Dar ceea ce fizicianul Henri Baumann și colegul său au instalat aici, în subsolul Institutului Federal Elvețian de Metrologie, METAS, cu greu pare o scară convențională, dar în principiu funcționează în mod similar: „Aveți o greutate pe partea din față și o forță electromagnetică este generată pe cealaltă parte pentru a compensa apoi această greutate. "
Forța electromagnetică este generată de o bobină de cupru care se află într-un câmp magnetic. Oamenii de știință trebuie să lase curentul să curgă prin ele până când câmpul electromagnetic este suficient de puternic pentru a echilibra greutatea de cealaltă parte. Așadar, cercetătorii măsoară câtă putere electromagnetică este necesară pentru a menține greutatea unui kilogram orizontal. Kilogramul original servește drept referință. În acest fel, cercetătorii pot fi siguri că solzii normali din lume nu vor arăta brusc o greutate diferită după redefinire.
50 micrograme: doar o teză
În timp ce cercetătorii din întreaga lume lucrează la răsturnarea kilogramului original - cunoscut și sub numele de Grand K - acesta este depozitat în siguranță în Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri (BIPM) din Sévres, o mică suburbie a Parisului. Unde se află exact pe site este un secret bine păstrat. Seiful este deschis o dată pe an pentru a verifica temperatura, presiunea și umiditatea și pentru a vedea pur și simplu dacă kilogramul este încă acolo. Capacul său de protecție, care constă din trei clopote blindate din sticlă așezate unul peste altul, a părăsit kilogramul doar de trei ori - de trei ori în 128 de ani.
Cu toate acestea, în ciuda tuturor precauțiilor, a fost imposibil să se prevină ca 50 micrograme să dispară pur și simplu de-a lungul deceniilor. Dar aceasta este doar o teză, spune Richard Davis de la BIPM. „S-ar putea, de asemenea, ca celelalte prototipuri cu care Urkilo a fost comparat în timp să fi devenit mai grele. Este puțin probabil, totuși. În cele din urmă, însă, nu știm. ”Pentru a fi în siguranță, ar trebui să călătorim înapoi în timp și să comparăm kilogramul original de astăzi cu sine.
Echilibrul de wați în ultimul salt
METAS elvețian lucrează la balanța de wați de 20 de ani. Dar experimentul încă nu pare să funcționeze: „Există încă o eroare sistematică undeva. Incertitudinea generală de măsurare a experimentului nu este încă suficient de bună pentru a putea publica o valoare cu încredere. ”Baumann rămâne încrezător că soluția va veni în următoarele trei luni:„ Trebuie să fii întotdeauna încrezător. Este un experiment riscant, așa este. "
Pe de altă parte, după ani de cercetare, concurenții Braunschweig de la PTB își pot fabrica, măsura și calcula sferele atât de precis încât să le poată utiliza pentru a determina constanta Planck până la cea de-a opta zecimală necesară. Prin urmare, institutul german ar putea reuși să definească constanta Planck și kilogramul.
Fără un echilibru de wați, totuși, valoarea lor ar fi inutilă. Deoarece reglementările internaționale stipulează că constanta Planck este definită de două experimente independente. „Dacă ați avea un singur rezultat dintr-un experiment, nu ați putea fi niciodată sigur dacă valoarea constantei lui Planck este corectă. Experimentul ar putea avea o eroare neașteptată. Prin urmare, sunt necesare două abordări diferite. Asta creează multă încredere ”, explică Richard Davis.
Chiar dacă cercetătorii din Berna nu mai pot publica o valoare în timp, redefinirea planificată a kilogramului pare sigură. Deoarece oamenii de știință din SUA și Canada cercetează, de asemenea, un echilibru de wați - au transmis deja valori suficient de exacte, spun ei.
Ö1 aviz de expediere
Nouă definiție din mai 2019
Pentru a redefini constanta, valoarea medie este apoi calculată din toate experimentele care oferă o valoare exactă în timp util. „În cadrul conferinței generale de la sfârșitul anului viitor, redefinirea kilogramului inițial prin valoarea constantei Planck urmează să fie decisă oficial. Va intra în vigoare doar în mai 2019. ”, spune Richard Davis de la BIPM. În acest fel, toate institutele naționale de metrologie au suficient timp să se adapteze la timpul de după kilogramul inițial și să decidă cum vor să realizeze kilogramul în viitor.
În Noua Zeelandă sau Coreea își construiesc în prezent propriul echilibru național de wați. În Austria, pe de altă parte, veți cumpăra o bilă de siliciu, potrivit Oficiului Federal pentru Metrologie și Topografie. Cu toate acestea, nu există siliciu de înaltă puritate-28. O minge mai ieftină cu izotopi de siliciu mixt face același lucru în această țară.
Odată cu redefinirea, kilogramul inițial devine unul dintre multe. La fel ca toate masele, greutatea sa va fi determinată în viitor cu ajutorul constantei Planck de neschimbat. Dar ghicitoarea dacă a pierdut de fapt 50 de milionimi de gram rămâne nerezolvată.