Pretekajte na nové kilo
Vedci sa už roky navzájom snažia nájsť nový základ pre fyziku. Otázka znie: Ako môžete nahradiť pôvodné parížske kilo presnou metódou merania? Rozhodnutie padne na konci júna.
Od roku 1889 je na predmestí Paríža uzamknutý platinový irídiový valec - pôvodný kilogram. Jeho malá chyba však trápi svet vedy: pôvodné kilo schudlo. Zdá sa, že 50 mikrogramov - 50 miliónov milióntin gramu - v priebehu storočia zmizlo na vzduchu. „Je to veľmi, veľmi málo a v podstate si to v každodennom živote nevšimnete,“ vysvetľuje Henri Baumann zo švajčiarskeho metrologického ústavu METAS neďaleko Bernu.
Napriek tomu je to viac ako škvrna, pretože pôvodný kilogram definuje presne to, čo je kilogram - bez ohľadu na to, či je 50 mikrogramov príliš ľahkých alebo sa rozpadne na polovicu - to je a zostáva kilo. To je súčasná definícia. V druhom prípade by bol svet iba dvakrát taký ťažký a kilogram zlata alebo pšenice by zrazu bol dvakrát drahší.
Ochrancovia hmotnosti chcú túto neistotu eliminovať a predefinovať kilogram pomocou prirodzenej konštanty. O konštante, ktorú nemožno zmeniť, a nie, ako predtým, o objekte, ktorý môže stratiť hmotnosť. Vedci v Japonsku, Švajčiarsku, Kanade, Nemecku a USA sa teraz snažia prekonať jeden druhého z hľadiska presnosti. V konečnom dôsledku chcú predefinovať, čo je kilogram. Vedci musia do konca júna predložiť novú definíciu, ktorá spĺňa medzinárodné požiadavky.
Atómy tejto gule mohli nahradiť pôvodné kilo
"Na začiatku to bolo relatívne uvoľnené." Ale potom sa prakticky vystavujete tlaku, aby ste sa stále zlepšovali a prekonali to, čo ste dosiahli, “vysvetľuje Arnold Nicolaus, fyzik Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) v Braunschweigu. V ruke drží lesklú čierno-šedú guľu. Je to najdokonalejšia umelo vytvorená sféra na svete - kremíková sféra.
Miliónová guľa
Je to experiment, s ktorým PTB vstupuje do závodu s cieľom predefinovať kilogram. Nejde ani tak o samotnú nádherne lesklú guľu, ale o jej obsah - atómy kremíka. Presnejšie kremík-28, jeden z troch stabilných izotopov kremíka. Atómy ležia v kryštálovej mriežke v presne rovnakej vzdialenosti od seba - a ich hmotnosť sa nemení - ani za sto rokov. Vedci z Braunschweigu si kladú otázku: Koľko atómov tvorí jeden kilogram? Odpoveď je veľmi pravdepodobná v oblasti 21 kvadriliónov, čo je číslo s 24 nulami.
Vysoko čistý surový kryštál bol vyrobený v ruských atómových odstredivkách. Nákladový bod: jeden milión eur. „Vedieť, že momentálne jazdíte milión dolárov, je to zaujímavý pocit,“ vysvetľuje Rudolf Meeß z PTB. Inžinier je zodpovedný za to, aby bola sféra čo najoblúbenejšia. Iba tak môžu jeho kolegovia neskôr presne vypočítať, koľko atómov Si-28 je vo sfére.
Rudolf Meeß a jeho zamestnanci v dielni
"Teraz vieme, koľko atómov sa zmestí na jeden centimeter." Z tohto dôvodu musíte na zistenie objemu „iba“ zmerať priemer gule. Potom viete, koľko atómov sa nachádza v guli. Znásobíme to hmotou kremíka-28 a potom máme okamžite hmotnosť tejto gule, “vysvetľuje Arnold Nicolaus, ktorý je zodpovedný za meranie guľôčok.
Žiadna lopta však nie je úplne hladká a žiadna lopta nie je rovnaká ako iná - Rudolf Meeß a jeho tím to ešte nezvládli. Ak zväčšíte povrch, guľky niekedy vyzerajú skôr ako guľaté zemiaky s niekoľkými preliačinami, bradavicami a kôpkami. Fyzik Arnold Nicolaus ich tiež musí presne zmerať. „Ak by sme tu povedali, že merame iba v dvoch bodoch, potom vám to môže uniknúť - ak ste práve namerali viac ako maximum, guľu by ste precenili.“
Hárok v 10 km stohu papiera
Pomocou experimentu chcú vedci z Braunschweigu spojiť váhu jedného kilogramu s Planckovou konštantou h. Základné množstvo zo sveta kvantovej fyziky. Opisuje najmenšiu možnú jednotku energie, ktorú môže fyzika emitovať alebo absorbovať. Hodnota konštanty však ešte nie je vytesaná do kameňa, má však neistotu z ôsmeho desatinného miesta. Vedci to teraz majú zmeniť: Tí, ktorým sa podarí presne určiť konštantu, redefinujú kilogram. "Ak si teraz predstavíte stoh papiera vysokého 10 kilometrov, potom musíme byť schopní zistiť, ktorý list papiera je umiestnený nesprávne." To zhruba zodpovedá presnosti experimentu. Musíme teda merať presne na ôsme miesto za desatinnou čiarkou, “vysvetľuje Henri Baumann zo švajčiarskeho metrologického ústavu METAS neďaleko Bernu. Iba tak by sa prostredníctvom predefinovania nič nezmenilo.
Henri Baumann a jeho váhy
Za prísne zatvorenými dverami vrhol na presné váhy - úplne nový prístup k predefinovaniu kilogramu: „Okrem Planckovej konštanty a skutočnosti, že sa snažíte získať kilogram ako východiskový bod, experimenty nie sú porovnateľné “, Vysvetľuje Baumann.
Váhy by namiesto hmotnosti kilogramu mali odvodzovať od určitého počtu atómov, mali by byť schopné vážiť presne jeden kilogram. Ale to, čo tu postavil fyzik Henri Baumann a jeho kolega v suteréne Federálneho metrologického ústavu METAS, ťažko vyzerá ako konvenčná váha, ale v zásade to funguje podobným spôsobom: „Na prednej strane máte váhu a na druhej strane sa vytvára elektromagnetická sila. aby sa potom vyrovnala táto váha. ““
Elektromagnetická sila je generovaná medenou cievkou, ktorá je umiestnená v magnetickom poli. Vedci musia cez ne nechať prúdiť prúd, kým nebude elektromagnetické pole dostatočne silné na to, aby vyvážilo váhu na druhej strane. Vedci teda zmerajú, koľko elektromagnetického výkonu je potrebné na udržanie hmotnosti jedného kilogramu vodorovne. Pôvodné kilo slúži ako referencia. Týmto spôsobom si môžu byť vedci istí, že normálne váhy sveta nebudú mať po predefinovaní zrazu inú váhu.
50 mikrogramov: iba diplomová práca
Zatiaľ čo vedci z celého sveta pracujú na zvrhnutí pôvodného kilogramu - známeho tiež ako le Grand K -, je bezpečne uložený v Medzinárodnom úrade pre váhy a miery (BIPM) v Sévres, malom predmestí Paríža. Kde presne sa nachádza na webe, je dobre strážené tajomstvo. Trezor sa otvára raz ročne na kontrolu teploty, tlaku a vlhkosti a na jednoduché zistenie, či tam kilo ešte je. Jeho ochranný kryt, ktorý sa skladá z troch pancierových sklenených zvonov umiestnených na sebe, nechal kilo iba trikrát - trikrát za 128 rokov.
Napriek všetkej opatrnosti však nebolo možné zabrániť tomu, aby 50 mikrogramov v priebehu desaťročí jednoducho zmizlo. Ale to je len jedna téza, hovorí Richard Davis z BIPM. "Môže sa tiež stať, že všetky ďalšie prototypy, s ktorými sa Urkilo porovnávalo, sa časom stali ťažšími." Je to však nepravdepodobné. Nakoniec to však nevieme. “Pre istotu by človek musel cestovať späť v čase a porovnávať dnešné pôvodné kilo so sebou.
Wattová bilancia v záverečnom špurte
Švajčiarsky METAS pracuje na wattovej rovnováhe už 20 rokov. Zdá sa však, že experiment stále nefunguje: „Stále je niekde systematická chyba. Celková neistota merania experimentu ešte nie je dosť dobrá na to, aby bolo možné s istotou zverejniť hodnotu. “Baumann zostáva presvedčený, že riešenie príde v priebehu nasledujúcich troch mesiacov:„ Vždy si musíte byť istí. Je to riskantný experiment, taký je. ““
Na druhej strane, po rokoch výskumu môžu braunschweigskí konkurenti v PTB vyrábať, merať a počítať svoje sféry tak presne, že ich môžu použiť na určenie Planckovej konštanty na požadované ôsme desatinné miesto. Nemeckému ústavu by teda mohlo úspešne vyjsť Planckova konštanta a kilogram.
Bez wattového vyváženia by však bola ich hodnota zbytočná. Pretože medzinárodné predpisy stanovujú, že Planckova konštanta je definovaná dvoma nezávislými experimentmi. "Keby si mal z experimentu iba jeden výsledok, nikdy by si si nemohol byť istý, či je hodnota Planckovej konštanty správna." Experiment mohol obsahovať neočakávanú chybu. Preto sú potrebné dva rôzne prístupy. To vytvára veľkú dôveru, “vysvetľuje Richard Davis.
Aj keď vedci z Bernu už nemôžu zverejniť hodnotu v čase, zdá sa byť plánované predefinovanie kilogramu bezpečné. Pretože vedci v USA a Kanade skúmajú aj wattovú rovnováhu - uviedli už hodnoty, ktoré sú dostatočne presné.
Ö1 oznámenie o preprave
Nová definícia od mája 2019
Na nové definovanie konštanty sa potom zo všetkých experimentov, ktoré poskytujú presnú hodnotu v správnom čase, počíta stredná hodnota. „Na generálnej konferencii na konci budúceho roka sa má oficiálne rozhodnúť o predefinovaní pôvodného kilogramu prostredníctvom hodnoty Planckovej konštanty. Platnosť nadobudne až v máji 2019. “hovorí Richard Davis z BIPM. Týmto spôsobom majú všetky národné metrologické ústavy dostatok času na prispôsobenie sa času po pôvodnom kilogramu a na rozhodnutie, ako chcú kilogram v budúcnosti realizovať.
Na Novom Zélande alebo v Kórei v súčasnosti budujú svoju vlastnú národnú wattovú rovnováhu. V Rakúsku si však podľa Spolkového úradu pre metrológiu a geodéziu kúpite kremíkovú guľu. Nie však vysoko čistý kremík-28. To isté robí v tejto krajine lacnejšia guľa so zmiešanými izotopmi kremíka.
Predefinovaním sa pôvodný kilogram stáva jedným z mnohých. Ako každá hmota, aj jej hmotnosť bude v budúcnosti určená pomocou nemennej Planckovej konštanty. Ale hádanka, či skutočne stratila 50 milióntin gramu, zostáva nevyriešená.