Надпревара до новото кило
От години учените се надпреварват помежду си, за да намерят нова основа за физиката. Въпросът е: Как можете да замените оригиналния парижки килограм с точен метод за измерване? Решението ще бъде взето в края на юни.
От 1889 г. платинено-иридиев цилиндър е заключен в предградие на Париж - оригиналният килограм. Но неговият малък недостатък тормози света на науката: оригиналният килограм е отслабнал. 50 микрограма - 50 милионни части от грам - изглежда са изчезнали в течение на един век. „Това е много, много малко и по принцип не го забелязвате в ежедневието“, обяснява Анри Бауман от швейцарския метрологичен институт METAS близо до Берн.
Въпреки това е повече от недостатък, тъй като първоначалният килограм определя точно какво е килограм - независимо дали е с 50 микрограма твърде лек или се разпада наполовина - той е и остава килограм. Това е настоящото определение. В последния случай светът ще бъде само два пъти по-тежък, а килограм злато или пшеница изведнъж ще бъде два пъти по-скъп.
Пазителите на теглото искат да премахнат тази несигурност и да предефинират килограма, като използват естествена константа. За константа, която не може да бъде променена, а не както преди, за обект, който може да загуби маса. Учени от Япония, Швейцария, Канада, Германия и САЩ сега се опитват да се надминат по отношение на точността. В крайна сметка те искат да предефинират какво е килограм. До края на юни учените трябва да представят нова дефиниция, която отговаря на международните изисквания.
Атомите на тази сфера биха могли да заменят първоначалния килограм
„В началото беше относително спокойно. Но след това на практика се подлагате на натиск, за да продължите да се подобрявате и да надминете постигнатото “, обяснява Арнолд Николаус, физик от Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) в Брауншвайг. В ръката си държи лъскава черна и сива топка. Това е най-съвършената в света сфера, създадена от човека - силициевата сфера.
Топката от един милион евро
Това е експериментът, с който PTB влиза в надпреварата, за да предефинира килограма. По-малко става въпрос за самата красиво лъскава топка, а за нейното съдържание - силициевите атоми. По-точно силиций-28, един от трите стабилни силициеви изотопа. Атомите се намират на абсолютно еднакво разстояние един от друг в кристалната решетка - и теглото им не се променя - дори след сто години. Въпросът, който задават изследователите от Брауншвайг е: Колко атома съставляват един килограм? Отговорът е много вероятно в района на 21 квадрилиона, число с 24 нули.
Суровият кристал с висока чистота е произведен в руски атомни центрофуги. Разходна точка: един милион евро. „Да знаеш, че в момента караш милион долара, това е интересно усещане“, обяснява Рудолф Мийс от PTB. Инженерът е отговорен за направата на сферата възможно най-кръгла. Това е единственият начин, по който по-късно колегите му могат да изчислят колко точно са атомите Si-28 в сферата.
Рудолф Мийс и неговите служители в работилницата
„Сега знаем колко атома се побират в един сантиметър. Ето защо трябва да „измерите“ само диаметъра на сферата, за да разберете обема. Тогава знаете колко атома са в сферата. Умножаваме това по масата на силиций-28 и след това веднага имаме масата на тази сфера “, обяснява Арнолд Николаус, който отговаря за измерването на сферите.
Въпреки това, нито една топка не е идеално гладка и никоя топка не е същата като друга - Рудолф Мейс и неговият екип все още не са успели това. Ако увеличите повърхността, топките понякога приличат повече на кръгли картофи с няколко вдлъбнатини, брадавици и могили. Физикът Арнолд Николаус също трябва да ги измери точно. "Ако трябва да кажем тук, че измерваме само в две точки, тогава можете да го пропуснете - ако току-що сте измерили над максимум, бихте надценили сферата."
Листът в купчината хартия от 10 км
Използвайки експеримента, изследователите от Брауншвайг искат да свържат теглото от един килограм с константата на Планк h. Основна величина от света на квантовата физика. Той описва възможно най-малката единица енергия, която може да бъде излъчена или абсорбирана във физиката. Стойността на константата обаче все още не е зададена в камък, но има несигурност от осмия десетичен знак. Сега учените са настроени да променят това: Ако успеете да определите константата точно, ще предефинирате килограма. „Ако сега си представяте купчина хартия с височина 10 километра, тогава трябва да можем да разберем кой лист хартия е поставен неправилно. Това приблизително съответства на точността на експеримента. Така че трябва да измерим точно на осмото място след десетичната запетая “, обяснява Анри Бауман от швейцарския метрологичен институт METAS близо до Берн. Само по този начин нищо не би се променило чрез предефинирането.
Анри Бауман и неговите везни
Той се занимаваше с прецизни везни зад строго затворени врати - съвсем различен подход за предефиниране на килограма: „С изключение на константата на Планк и факта, че човек се опитва да получи килограма като отправна точка, експериментите не са сравними “, Обяснява Бауман.
Вместо да изведе масата на килограм от определен брой атоми, везната трябва да може да тежи точно един килограм. Но това, което физикът Анри Бауман и неговият колега са създали тук, в мазето на Федералния метрологичен институт METAS, едва ли изглежда като конвенционален мащаб, но по принцип работи по подобен начин: „Имате тежест отпред и от другата страна се генерира електромагнитна сила за да компенсира после това тегло. "
Електромагнитната сила се генерира от медна намотка, която се намира в магнитно поле. Учените трябва да оставят тока да тече през тях, докато електромагнитното поле стане достатъчно силно, за да балансира тежестта от другата страна. Така изследователите измерват колко електромагнитна мощност е необходима, за да се поддържа теглото на един килограм хоризонтално. Оригиналният килограм служи за ориентир. По този начин изследователите могат да бъдат сигурни, че нормалните везни в света няма внезапно да покажат различно тегло след предефинирането.
50 микрограма: просто дисертация
Докато изследователите по целия свят работят по свалянето на оригиналния килограм - известен още като le Grand K - той се съхранява безопасно в Международното бюро за теглилки и мерки (BIPM) в Севр, малко предградие на Париж. Къде точно се намира на сайта е добре пазена тайна. Сейфът се отваря веднъж годишно, за да се провери температурата, налягането и влажността и просто да се види дали килограмът все още е там. Неговият защитен капак, който се състои от три бронирани стъклени камбани, поставени една върху друга, е оставил килограма само три пъти - три пъти за 128 години.
Въпреки цялата предпазливост обаче беше невъзможно да се предотврати изчезването на 50 микрограма през десетилетията. Но това е само една теза, казва Ричард Дейвис от BIPM. „Възможно е също така всички други прототипи, с които е сравняван Urkilo, да са станали по-тежки. Малко вероятно е обаче. В крайна сметка обаче не знаем. “За да бъдем сигурни, ще трябва да пътуваме назад във времето и да сравняваме оригиналния днешен килограм със себе си.
Ватов баланс в последния изблик
Швейцарският METAS работи върху баланса на вата от 20 години. Но експериментът все още не работи: „Някъде все още има систематична грешка. Общата несигурност на измерването на експеримента все още не е достатъчно добра, за да може да публикува стойност с увереност. “Бауман остава уверен, че решението ще дойде в рамките на следващите три месеца:„ Винаги трябва да сте уверени. Това е рисков експеримент, така е. "
От друга страна, след години изследвания, конкурентите от Брауншвайг в PTB могат да произвеждат, измерват и изчисляват сферите си толкова точно, че да могат да ги използват за определяне на константата на Планк до необходимия осми знак след десетичната запетая. Следователно германският институт би могъл да успее да определи константата на Планк и килограма.
Без баланс на вата обаче тяхната стойност би била безполезна. Тъй като международните разпоредби предвиждат, че константата на Планк се определя от два независими експеримента. „Ако имате само един резултат от експеримент, никога не бихте могли да сте сигурни дали стойността на константата на Планк е вярна. Експериментът може да има неочаквана грешка. Следователно са необходими два различни подхода. Това създава много доверие “, обяснява Ричард Дейвис.
Дори ако изследователите от Берн вече не могат да публикуват стойност навреме, планираното предефиниране на килограма изглежда сигурно. Тъй като учените в САЩ и Канада също изследват баланса на вата - те вече са представили стойности, които са достатъчно точни, казват те.
Ö1 известие за изпращане
Нова дефиниция от май 2019 г.
За да се предефинира константата, средната стойност след това се изчислява от всички експерименти, които предоставят точна стойност своевременно. „В общата конференция в края на следващата година ще бъде официално решено предефинирането на първоначалния килограм чрез стойността на константата на Планк. Той ще влезе в сила едва през май 2019 г. “, казва Ричард Дейвис от BIPM. По този начин всички национални метрологични институти имат достатъчно време да се приспособят към времето след първоначалния килограм и да решат как искат да реализират килограма в бъдеще.
В Нова Зеландия или Корея в момента изграждат собствен национален баланс на вата. В Австрия, от друга страна, ще си купите силиконова топка, според Федералната служба за метрология и геодезия. Няма обаче силикон-28 с висока чистота. По-евтината топка със смесени силициеви изотопи прави същото в тази страна.
С предефинирането оригиналният килограм се превръща в един от многото. Както всички маси, теглото му в бъдеще ще се определя с помощта на неизменната константа на Планк. Но загадката дали наистина е загубила 50 милионни от грам остава неразгадана.