Кілограм тепер має нову вагу - Le Temps
Наука
Цю п’ятницю Генеральна конференція мір і ваг затвердила нову Міжнародну систему єдності, остаточно ліквідувавши багатовікові металеві предмети, які служили її орієнтирами. Ми повертаємо вам статтю на цю тему, яка з’явилася у “T Magazine” у квітні минулого року.
Міжнародне бюро мір і ваг затвердило цієї п'ятниці в Парижі нову одиницю маси, визначену з фізичних констант. Ця стаття, яка пояснює проблеми цієї зміни парадигми, була спочатку опублікована у квітні 2018 року на нашому сайті.
Дійсно кілограм важить свою вагу? Більш-менш. І в цьому полягає вся проблема. У сейфі поблизу Парижа маленький металевий циліндр заввишки 39 мм представляє те, що вся Земля використовувала протягом століть як стандарт для такої маси. Але ... вона коливається. Гірше того, втрата цього об’єкта позбавить людство єдиного оригінального посилання на зважування будь-якого тіла - від космічної ракети до атомів, до наших маленьких людей - до прокидання на вагах.
Звідси необхідність нового визначення кілограма; після десятиліть запеклої науки це майже зроблено. У листопаді 2018 року повинна бути затверджена нова одиниця маси, ця нематеріальна, оскільки вона визначається за допомогою однієї з основних констант Природи, ці фіксовані величини, що втручаються у рівняння фізики (наприклад, швидкість світла). І в процесі цього будуть заморожені ще три одиниці: кельвін (температура), ампер (електричний струм) і моль (кількість речовини). "Це нечувано!" підкреслює Алі Айхенбергер, фізик із Федерального бюро метрології METAS у Берні.
"Отримана в результаті нова Міжнародна система одиниць (SI) буде" доказом у майбутньому ", - сказав Мартін Мілтон, директор Міжнародного бюро мір і ваг (BIPM) у Севрі, відповідальний за маневр. Іншими словами, ця СІ враховуватиме всі наукові досягнення ".
Перемикач часу
О, мало хто з нас помітить різницю у нашому повсякденному житті: для виготовлення кугельгофа все одно потрібно стільки ж борошна. Але для науковців та прецизійної промисловості це рубеж буде важливим. "Ми, фізики, на передовій, тому що хоча можуть існувати різні теорії про експеримент, ми розуміємо науку як єдиний набір послідовних законів, що означає, що ці теорії призводять до однакових результатів". Крім того, цей підтяжка обличчя IS дозволить "автоматизувати конструкцію калібрувальних приладів для вимірювання мас, особливо дуже малих. Досить для того, щоб здійснити революцію в промислових секторах, де ця здатність має вирішальне значення », - пояснює Йоахім Улльріх, президент Німецького метрологічного інституту PTB у Брауншвейгу. Нарешті, для Яна Лацкі, історика науки Женевського університету, це не що інше, як зміна в часі.
Створення десяткової метричної системи бере свій початок ще за часів Французької революції, коли в архіві Республіки в Парижі в червні 1799 р. Було введено два платинових об'єкти, що представляють те, що було вирішено незабаром становити метр і кілограм. Поновлення цих стандартів було прийнято в 1889 р., Одночасно з визначенням астрономічної секунди (тоді на основі середнього дня) як одиниці часу. До цього будуть додані ампер, кельвін і кандела (одиниця освітленості). Назва Міжнародна система єдності (СІ) французькою мовою була дана цьому набору в 1960 році.
«Перевага полягала в тому, що ви могли робити копії стандартів, які також могли б служити в якості посилань у різних інститутах по всьому світу, - говорить Ян Лацкі. Це було набагато зручніше, ніж робота з абстрактними визначеннями ". Недолік? “Маса цих дублікатів змінюється з часом ... продовжує Алі Айхенбергер. Більше того, що стосується фіксованої точки (оригінальний стандарт кг), яка сама по собі насправді не є ... "І пояснити, що саме визначення останнього викликає посмішку:" Вона включає інструкції з очищення, що рекомендують натирати предмет із замшевою шкірою та спиртом, "з достатнім тиском" для чищення, але без подряпин занадто багато матеріалу. Хіба ми не вказуємо, де вбивати серну ... "
Гонка за точністю
Рано "виник ідея визначити одиниці за формулою, використовуючи кратну константу Природи, інваріантну і для якої визначено числове значення", продовжує Мартін Мілтон. Починаючи з 18 століття, фізики працювали над досягненням цієї мети. Але виклик довгий час залишався нездоланним. Чому? "Ви все одно повинні були мати можливість виміряти ці константи з достатньою точністю, щоб заявити, щоб заморозити їх значення та посилатися на них".
Досягнення технологій допоможуть у ХХ столітті. Найвідомішим бастіоном, який було передано, був лічильник в 1983 році. Йоахім Улльріх: "Фізики змогли виміряти швидкість світла з мінімальною точністю, що дозволило зафіксувати його значення на рівні 299 792 458 м/с". Відтепер метр можна було визначити як відстань, пройдену світлом за одну 299 792 458-ю секунду. І "ви можете позбутися платинового стандартного лічильника, за умови примх його розширення", додає Ян Лацкі. Другий визначався відповідно до числа коливань атома цезію; скасовано, використання середньої тривалості дня.
А як же кілограм, останній із семи одиниць СІ, який пройшов переосмислення? Амбіція полягала в тому, щоб це залежало від фундаментальної константи під назвою "Планк", зазначається "h", із Всесвіту квантової фізики. І знову проблема полягає в наступному, за словами Алі Айхенбергера: «Щоб претендувати на те, щоб встановити майбутній норму кг залежно від цієї константи h, спочатку його слід виміряти з точністю 2 мільйонні частки відсотка (2 * 10e-8 ). Перед стосом паперу заввишки 3 милі це товщина ... аркуша ".
Ідеальна сфера
Були уявлені два типи досвіду. Перший, який називається «балансуванням ват», - це пристрій, що врівноважує, з одного боку, масу, що підлягає калібруванню, а з іншого - електромагнітний механізм, який можна описати за допомогою цієї сталої h. Декілька груп, у METAS, але особливо в США та Канаді, мають такий баланс, надзвичайно складний в обробці, оскільки він містить параметри, що підлягають тонкому контролю.
Незважаючи на все, останнім двом командам вдалося виміряти h з бажаною точністю. Ідея іншого експерименту полягає в тому, щоб зробити ідеальну сферу з кремнію, дуже чистого кристалічного матеріалу. М'яч настільки вдалий, що якби він був розміром із Землю, його найбільша нерівність була б лише кілька метрів заввишки. Тоді масу цього "кг кремнію" можна визначити як функцію кількості присутніх атомів і підрахувати, при цьому взаємозв'язок знову забезпечується цією константою h. У Німеччині група PTB також досягла успіху.
Проблема копій оригінального кілограма полягає в тому, що їх маса змінюється з часом.
Ян Лацкі, історик наукиПроблема, і не в останню чергу: значення h, виміряні в двох таборах, були не однаковими! Неможливо перевизначити кілограм з такою різною універсальною константою. "Але після довгих дебатів фізики-експериментатори погодились знизити свою претензію на точність і трохи розширити похибку при їх вимірюванні", - пояснює Йоахім Улліх. При цьому всі значення збігалися, а їх середнє значення залишалося в межах необхідного рівня точності ".
Один із способів мати справу з цифрами, який не переконує всіх. "Можливо, було б корисно почекати трохи довше, щоб експерименти забезпечили кращі відповідні дані", - сказав Алі Айхенбергер. Однак був встановлений термін до 1 липня 2017 року для всіх залучених груп для досягнення результатів; незвичайний спосіб робити щось у науці. "Вимірюючи в науці, вони ніколи не бувають абсолютно ідеальними", - заперечує Мартін Мілтон. У нашому випадку перекриття було визнано досить добрим ".
Перевизначення другого
Для деяких це рішення може бути бажанням увійти в історію з боку тих, хто затвердить цю нову СІ у листопаді. "Це стара мелодія", - сказав Ян Лацкі. Правильність моральної позиції є дещо з обох сторін: ми хочемо протиставити прагматизм крайнім пуризмом. Проте наука рясніє прикладами, що показують, що більшість дослідників-перфекціоністів, незважаючи на те, що зробили перші відкриття, але конфіденційно, не були визнані належним чином ". На думку історика науки, важливість цього кроку полягає в іншому. «За допомогою цієї останньої реконструкції ІС ми, безумовно, позбавляємося від артефактів, які її визначили, щоб наполягати на мережах концептуальних відносин між різними елементами. Ми ставимося якомога ближче до фізичних законів ".
Але для Мартіна Мілтона справа на цьому не закінчиться. "Наступним кроком, приблизно в 2026 році, є переосмислення другого на основі вібрації атома, відмінного від цезію". Хіба підхід фізиків не перетворюється на одержимість? "Протягом 150 років ця манія вимірювань дозволила досягти важливих технологічних досягнень, таких як атомні годинники в системах GPS", - заперечує він. І цитуючи лорда Кельвіна, видатного британського вченого 19 століття: "Щоб знати речі, ми повинні їх вимірювати".