Гонка до нового кілограма
Протягом багатьох років вчені мчаться між собою, щоб знайти нову основу для фізики. Питання: як можна замінити оригінальний паризький кілограм точним методом вимірювання? Рішення буде прийнято наприкінці червня.
З 1889 року в передмісті Парижа зафіксували платиново-іридієвий балон - оригінальний кілограм. Але його невелика вада мучить світ науки: оригінальний кілограм схуд. Здається, 50 мікрограмів - 50 мільйонних частин граму - зникли в повітрі протягом століття. "Це дуже, дуже мало, і в основному ви цього не помічаєте у повсякденному житті", - пояснює Анрі Бауманн із швейцарського метрологічного інституту METAS поблизу Берна.
Тим не менше, це більше, ніж пляма, оскільки вихідний кілограм точно визначає, що таке кілограм - незалежно від того, занадто легкий він на 50 мікрограмів або розпадається навпіл - він є і залишається кілограмом. Це сучасне визначення. В останньому випадку світ був би лише вдвічі важчим, а кілограм золота чи пшениці - раптом удвічі дорожчим.
Опікуни ваги хочуть усунути цю невизначеність і перевизначити кілограм, використовуючи природну константу. Про константу, яку неможливо змінити, а не, як раніше, про об’єкт, який може втратити масу. Вчені Японії, Швейцарії, Канади, Німеччини та США зараз намагаються перевершити один одного з точки зору точності. Зрештою, вони хочуть перевизначити, що таке кілограм. До кінця червня вчені мають подати нове визначення, яке відповідає міжнародним вимогам.
Атоми цієї сфери можуть замінити початковий кілограм
“На початку це було відносно розслаблено. Але згодом ти практично тиснеш на себе, щоб покращуватись і перевершувати те, що досягнуто », - пояснює Арнольд Ніколаус, фізик Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) у Брауншвейзі. У руці він тримає блискучу чорно-сіру кульку. Це найдосконаліша в світі створена людиною сфера - кремнієва.
М'яч у мільйон євро
Це експеримент, з яким PTB бере участь у змаганні з перевизначення кілограма. Менше йдеться про саму красиво блискучу кульку, а про її вміст - атоми кремнію. Точніше кремній-28, один із трьох стабільних ізотопів кремнію. Атоми розташовуються на однаковій відстані один від одного в кристалічній решітці - і їх вага не змінюється - навіть за сто років. Питання, яке задають дослідники з Брауншвейга: скільки атомів складають один кілограм? Відповідь дуже ймовірна в районі 21 квадрильйон, число з 24 нулями.
Надзвичайно чистий сировинний кристал отримували в російських атомних центрифугах. Пункт витрат: мільйон євро. "Знати, що ви зараз їдете мільйон доларів, це цікаве відчуття", - пояснює Рудольф Міс з PTB. Інженер відповідає за те, щоб зробити сферу якомога більш круглою. Тільки так пізніше його колеги можуть точно розрахувати, скільки атомів Si-28 знаходиться в кулі.
Рудольф Міс та його співробітники в майстерні
«Тепер ми знаємо, скільки атомів вміщується в одному сантиметрі. Тому вам потрібно «лише» виміряти діаметр кулі, щоб дізнатись об’єм. Тоді ви знаєте, скільки атомів у кулі. Ми множимо це на масу кремнію-28 і відразу маємо масу цієї сфери », - пояснює Арнольд Ніколаус, відповідальний за вимірювання сфер.
Однак жоден м’яч не є ідеально гладким, і жоден м’яч не збігається з іншим - Рудольф Міс та його команда ще цього не встигли. Якщо збільшити поверхню, кульки іноді більше схожі на круглу картоплю з невеликими вм’ятинами, бородавками та горбками. Фізик Арнольд Ніколаус також повинен їх точно виміряти. "Якби ми сказали тут, що ми вимірюємо лише в двох точках, то ви можете пропустити це - якщо ви щойно виміряли вище максимуму, ви б переоцінили сферу".
Аркуш у стопці паперу на 10 км
Використовуючи експеримент, дослідники Брауншвейга хочуть пов’язати вагу одного кілограма з постійною Планка h. Основна величина зі світу квантової фізики. Він описує найменшу можливу одиницю енергії, яку можна або випромінювати, або поглинати у фізиці. Однак значення константи ще не встановлено в камені, але має невизначеність з восьмого знака після коми. Зараз вчені готові змінити це: ті, кому вдасться точно визначити константу, переглянуть кілограм. «Якщо ви тепер уявляєте собі стос паперу заввишки 10 кілометрів, то ми повинні мати можливість з’ясувати, який аркуш паперу розміщений неправильно. Це приблизно відповідає точності експерименту. Тож нам доводиться вимірювати точно до восьмого місця після десяткової коми », - пояснює Анрі Бауманн із швейцарського метрологічного інституту METAS поблизу Берна. Тільки таким чином нічого не змінилося б шляхом перевизначення.
Анрі Бауман і його ваги
Він повозився з точними вагами за строго закритими дверима - зовсім інший підхід до перевизначення кілограма: «За винятком константи Планка та того, що хтось намагається отримати кілограм як вихідну точку, експерименти не можна порівняти “, Пояснює Бауманн.
Замість того, щоб визначати масу кілограма з певної кількості атомів, вага повинен мати вагу рівно одного кілограма. Але те, що фізик Анрі Бауманн та його колега побудували тут, у підвалі Федерального метрологічного інституту METAS, навряд чи виглядає як звичайний масштаб, але в принципі це працює приблизно так: «Ви маєте вагу спереду, а електромагнітна сила генерується з іншого боку щоб потім компенсувати цю вагу ".
Електромагнітна сила генерується мідною котушкою, яка знаходиться в магнітному полі. Вчені повинні пропускати через них струм, поки електромагнітне поле не стане достатньо сильним, щоб збалансувати вагу з іншого боку. Тож дослідники вимірюють, скільки електромагнітної потужності необхідно, щоб утримати вагу одного кілограма горизонтально. Оригінальний кілограм служить еталоном. Таким чином, дослідники можуть бути впевнені, що нормальні масштаби у світі не стануть раптово різними вагами після переосмислення.
50 мікрограмів: лише дипломна робота
Поки дослідники по всьому світу працюють над поваленням оригінального кілограма - також відомого як le Grand K - він надійно зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг (BIPM) в Севрі, невеликому передмісті Парижа. Де саме він знаходиться на сайті - це добре зберігається таємниця. Сейф відкривається раз на рік, щоб перевірити температуру, тиск і вологість і просто побачити, чи все ще є кілограм. Його захисний чохол, який складається з трьох броньованих скляних дзвіночків, розміщених один на одному, залишив кілограм лише тричі - тричі за 128 років.
Але, незважаючи на будь-яку обережність, не можна було запобігти тому, щоб 50 мікрограмів просто не зникли протягом десятиліть. Але це лише одна теза, говорить Річард Девіс з BIPM. «Також може бути, що інші прототипи, з якими порівнювали Urkilo, з часом стали важчими. Однак це навряд чи. Врешті-решт, ми не знаємо ". Щоб бути у безпеці, потрібно було б подорожувати у минуле і порівнювати сьогоднішній кілограм із самим собою.
Баланс ват в остаточному стрибку
Швейцарський METAS працює над балансом ват протягом 20 років. Але експеримент, здається, все-таки не працює: «Десь все-таки є систематична помилка. Загальна невизначеність вимірювань експерименту ще недостатньо хороша, щоб можна було з впевненістю опублікувати значення. "Бауманн залишається впевненим, що рішення прийде протягом найближчих трьох місяців:" Ви завжди повинні бути впевненими в собі. Це ризикований експеримент, ось як він є ".
З іншого боку, після багаторічних досліджень конкуренти з Брауншвейгу в PTB можуть виготовляти, вимірювати та обчислювати свої сфери настільки точно, що вони можуть використовувати їх для визначення константи Планка з необхідним восьмим знаком після коми. Тому німецький інститут міг би досягти успіху у визначенні константи Планка та кілограма.
Однак без балансу ват їх значення було б марним. Оскільки міжнародні правила передбачають, що константа Планка визначається двома незалежними експериментами. «Якби у вас був лише один результат експерименту, ви ніколи не могли б бути впевнені, чи правильне значення константи Планка. Експеримент може мати несподівану помилку. Тому потрібні два різні підходи. Це створює велику довіру », - пояснює Річард Девіс.
Навіть якщо дослідники з Берна більше не можуть опублікувати значення вчасно, заплановане перевизначення кілограма здається безпечним. Оскільки вчені в США та Канаді також досліджують баланс ват - вони вже подали значення, які є досить точними, кажуть вони.
Ö1 повідомлення про відвантаження
Нове визначення від травня 2019 року
Щоб перевизначити константу, середнє значення обчислюється з усіх експериментів, які вчасно дають точне значення. «На генеральній конференції наприкінці наступного року має бути офіційно прийнято рішення про перегляд вихідного кілограма за значенням константи Планка. Він набуде чинності лише в травні 2019 року », - говорить Річард Девіс з BIPM. Таким чином, усі національні метрологічні інститути мають достатньо часу, щоб адаптуватися до часу після початкового кілограма та вирішити, як вони хочуть реалізувати цей кілограм у майбутньому.
У Новій Зеландії чи Кореї вони зараз будують власний національний баланс ват. З іншого боку, в Австрії ви придбаєте силіконову кульку, повідомляє Федеральне управління з питань метрології та зйомок. Однак не високочистий кремній-28. Більш дешевий кулька зі змішаними ізотопами кремнію робить те саме в цій країні.
З новим визначенням оригінальний кілограм стає одним із багатьох. Як і всі маси, його вага в майбутньому буде визначатися за допомогою незмінної константи Планка. Але загадка про те, чи він насправді втратив 50 мільйонних частин грама, залишається нерозгаданою.