Versenyezz az új kilóra
Évek óta a tudósok versenyeznek egymással, hogy új alapokat találjanak a fizika számára. A kérdés a következő: Hogyan lehet az eredeti párizsi kilót pontos mérési módszerrel helyettesíteni? A döntést június végén hozzák meg.
1889 óta egy platina-irídium henger zárva van Párizs egyik külvárosában - az eredeti kilogramm. De apró hibája sújtja a tudomány világát: az eredeti kiló lefogyott. Úgy tűnik, hogy 50 mikrogramm - 50 millió gramm - egy évszázad alatt eltűnt a levegőben. "Ez nagyon-nagyon kevés, és alapvetően nem veszi észre a mindennapi életben" - magyarázza Henri Baumann, a Bern melletti svájci METAS metrológiai intézetből.
Mindazonáltal ez több, mint egy folt, mert az eredeti kilogramm pontosan meghatározza, hogy mi a kilogramm - függetlenül attól, hogy 50 mikrogramm túl könnyű vagy félbe esik - kiló marad és marad. Ez a jelenlegi meghatározás. Ez utóbbi esetben a világ csak kétszer olyan nehéz lenne, és egy kilogramm arany vagy búza hirtelen kétszer drágább lenne.
A súly őrei meg akarják szüntetni ezt a bizonytalanságot, és egy természetes állandó segítségével újradefiniálják a kilogrammot. Olyan állandóról, amely nem változtatható meg, és nem, mint korábban, tömegről veszíteni képes tárgyról. Japán, Svájc, Kanada, Németország és az USA tudósai most megpróbálják felülmúlni a pontosságot. Végül szeretnék újradefiniálni, hogy mi a kilogramm. A tudósoknak június végéig kell benyújtaniuk egy új meghatározást, amely megfelel a nemzetközi követelményeknek.
Ennek a gömbnek az atomjai pótolhatják az eredeti kilót
„Kezdetben viszonylag nyugodt volt. De utána gyakorlatilag nyomás alá helyezed magad, hogy tovább javulj, és felülmúld az elért eredményeket. ”- magyarázza Arnold Nicolaus, a Braunschweig-i Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) fizikusa. A kezében fényes fekete és szürke labdát tart. Ez a világ legtökéletesebb mesterséges gömbje - a szilícium gömb.
Az egymillió eurós labda
Ez az a kísérlet, amellyel a PTB indul a versenyben, hogy újra meghatározza a kilogrammot. Kevésbé magáról a gyönyörűen fényes gömbről van szó, hanem annak tartalmáról - a szilícium atomokról. Pontosabban a szilícium-28, a három stabil szilícium-izotóp egyike. Az atomok pontosan ugyanolyan távolságban ülnek egymástól a kristályrácsban - és súlyuk nem változik - még száz év alatt sem. A Braunschweig-i kutatók felteszik a kérdést: Hány atom alkot egy kilogrammot? A válasz nagy valószínűséggel 21 kvadrillió, 24 nullával rendelkező szám tartományban valószínű.
A nagy tisztaságú nyers kristályokat orosz atomcentrifugákban állították elő. Költségpont: egymillió euró. "Tudni, hogy jelenleg egymillió dollárt vezetsz, érdekes érzés" - magyarázza Rudolf Meeß a PTB-től. A mérnök felelős azért, hogy a gömb a lehető legkerekebb legyen. Kollégái csak így tudják később kiszámítani, hogy pontosan hány Si-28 atom van egy gömbben.
Rudolf Meeß és alkalmazottai a műhelyben
„Most már tudjuk, hány atom fér el egy centiméterben. Ezért „csak” meg kell mérni a gömb átmérőjét, hogy megtudja a térfogatot. Akkor tudod, hány atom van a gömbben. Ezt megszorozzuk a szilícium-28 tömegével, majd azonnal megkapjuk ennek a gömbnek a tömegét ”- magyarázza Arnold Nicolaus, aki a gömbök méréséért felel.
Egyetlen labda sem tökéletesen sima, és egyetlen labda sem azonos a másikkal - Rudolf Meeß és csapata még nem tudta ezt megoldani. Ha nagyobbítja a felületet, a golyók néha inkább kerek burgonyának tűnnek, néhány horpadással, szemölcsökkel és halmokkal. Arnold Nicolaus fizikusnak is pontosan meg kell mérnie őket. "Ha azt mondanánk itt, hogy csak két ponton mérünk, akkor kihagyhatja - ha éppen mért maximumot, akkor túlbecsülné a gömböt."
A lap a 10 km-es papírkötegben
A kísérlet segítségével a Braunschweig kutatói egy kiló súlyát a Planck-h állandóval akarják összekapcsolni. Alapmennyiség a kvantumfizika világából. A lehető legkisebb energiaegységet írja le, amely akár kibocsátható, akár elnyelhető a fizikában. Az állandó értéke azonban még nincs kőbe vésve, de a nyolcadik tizedestől kezdve bizonytalanságot mutat. A tudósok most ezen változtatnak: Ha sikerül pontosan meghatározni az állandót, akkor újra meghatározza a kilogrammot. „Ha most elképzel egy 10 km magas papírköteget, akkor meg kell tudnunk találni, hogy melyik papírlap van helytelenül. Ez nagyjából megfelel a kísérlet pontosságának. Tehát pontosan a tizedesjegy után a nyolcadik helyre kell mérnünk ”- magyarázza Henri Baumann a Bern közelében található svájci METAS intézetből. Csak így nem változna semmi az újradefiniálás révén.
Henri Baumann és mérlegei
A szigorúan zárt ajtók mögött precíziós mérlegeket bütykölt - ez teljesen más megközelítés a kilogramm újradefiniálásához: „Kivéve Planck állandóját és azt a tényt, hogy Ön megpróbálja kiindulópontként megkapni a kilogrammot, a kísérletek nem összehasonlíthatók “, Magyarázza Baumann.
Ahelyett, hogy a kiló tömegét meghatározott számú atomból származtatnák, a mérlegnek pontosan egy kilogrammot kell képesnek lennie. De amit a fizikus Henri Baumann és kollégája itt, a METAS szövetségi metrológiai intézet alagsorában épített, aligha hasonlít hagyományos mérlegre, de elvileg hasonlóan működik: „Elöl van egy súlyod, a másik oldalon pedig elektromágneses erő keletkezik. annak érdekében, hogy ezt a súlyt ellensúlyozzák. "
Az elektromágneses erőt egy réz tekercs generálja, amely egy mágneses mezőben helyezkedik el. A tudósoknak addig kell hagyniuk az áramot, amíg az elektromágneses tér elég erős ahhoz, hogy egyensúlyba hozza a másik oldalon lévő súlyt. Tehát a kutatók megmérik, hogy mekkora elektromágneses teljesítményre van szükség egy kiló súlyának vízszintes tartásához. Az eredeti kiló szolgál referenciaként. Így a kutatók biztosak lehetnek abban, hogy a világ normál skálája az újradefiniálás után hirtelen nem mutat más súlyt.
50 mikrogramm: csak egy tézis
Míg a kutatók szerte a világon azon dolgoznak, hogy megdöntsék az eredeti kilogrammot - más néven le Grand K -, azt biztonságosan tárolják a Párizs kis külvárosában, Sévresben található Nemzetközi Súly- és Mérőirodában (BIPM). Az, hogy pontosan hol található a helyszínen, jól őrzött titok. A széfet évente egyszer kinyitják, hogy ellenőrizzék a hőmérsékletet, a nyomást és a páratartalmat, és egyszerűen megnézzék, hogy a kiló még mindig ott van-e. Védőburkolata, amely három egymásra helyezett páncélozott üvegcsengőből áll, csak háromszor hagyta el a kilót - 128 év alatt háromszor.
De minden óvatosság ellenére lehetetlen volt megakadályozni, hogy 50 mikrogramm egyszerűen eltűnjön az évtizedek alatt. De ez csak egy tézis, mondja Richard Davis a BIPM-től. „Az is lehet, hogy a többi prototípus, amellyel az Urkilo-t idővel összehasonlították, mind nehezebbé váltak. Nem valószínű azonban. Végül nem tudjuk. ”A biztonság kedvéért az embernek vissza kell utaznia az időben, és össze kell hasonlítania a mai eredeti kilót önmagával.
Watt-egyensúly az utolsó spurtban
A svájci METAS 20 éve dolgozik a wattmérlegen. De úgy tűnik, hogy a kísérlet még mindig nem működik: „Valahol még mindig van egy szisztematikus hiba. A kísérlet általános mérési bizonytalansága még nem elég jó ahhoz, hogy egy értéket magabiztosan tegyünk közzé. ”Baumann továbbra is bízik abban, hogy a megoldás a következő három hónapon belül meg fog valósulni:„ Mindig magabiztosnak kell lennie. Kockázatos kísérlet, ez így van. "
Másrészt, hosszú évekig tartó kutatás után a PTB-n szereplő Braunschweig versenyzők olyan pontosan előállíthatják, megmérhetik és kiszámíthatják a gömbjüket, hogy ezek alapján meghatározhassák a Planck-állandót a szükséges nyolcadik tizedesjegyig. A német intézetnek tehát sikerülhet meghatároznia a Planck-állandót és a kilogrammot.
Watt-mérleg nélkül azonban az értékük haszontalan lenne. Mivel a nemzetközi szabályozás előírja, hogy a Planck-állandót két független kísérlet határozza meg. - Ha csak egy eredménye lenne egy kísérletből, soha nem lehet biztos abban, hogy Planck állandójának értéke helyes-e. A kísérletnek váratlan hibája lehet. Ezért két különböző megközelítésre van szükség. Ez nagy bizalmat kelt "- magyarázza Richard Davis.
Még akkor is, ha a berni kutatók már nem tudnak időben közzé tenni értéket, a kilogramm tervezett újradefiniálása biztonságosnak tűnik. Mivel az USA és Kanada tudósai szintén egy watt-mérleget kutatnak - ők már elég pontos értékeket nyújtottak be, mondják.
Ö1 szállítási értesítés
Új meghatározás 2019 májusától
Az állandó újradefiniálásához ezután kiszámítják az átlagértéket azokból a kísérletekből, amelyek időben pontos eredményt adnak. „A jövő év végi általános konferencián hivatalosan el kell dönteni az eredeti kilogramm újradefiniálását a Planck-állandó értékén keresztül. Csak 2019 májusában lép hatályba. ”- mondja Richard Davis, a BIPM munkatársa. Ily módon az összes nemzeti metrológiai intézetnek elegendő ideje van arra, hogy alkalmazkodjon az eredeti kilogramm utáni időhöz, és eldöntse, hogyan kívánja realizálni a kilogrammot a jövőben.
Új-Zélandon vagy Koreában jelenleg saját nemzeti watt-egyensúlyukat építik. Ausztriában viszont szilíciumgömböt vásárol a Szövetségi Mérésügyi és Földmérési Hivatal adatai szerint. Azonban nem nagy tisztaságú szilícium-28. Olcsóbb vegyes szilícium-izotópokkal ellátott golyó ugyanezt teszi ebben az országban.
Az újradefiniálással az eredeti kilogramm egy lesz a sok közül. Mint minden tömeg, a súlyát a jövőben is a megváltoztathatatlan Planck-állandó segítségével határozzák meg. De a rejtvény, hogy vajon elvesztett-e 50 millió grammot, továbbra sem megoldott.