130 години след установяването му, килограмът такъв, какъвто го познаваме, предстои да бъде пенсиониран. Но това не е краят. От 20 май 2019 г. се въвежда нова дефиниция - много по-точна от всички подобни досега.
След като промяната бе гласувана единодушно на Генералната конференция по мерки и теглилки във Версай в края на миналата година, промяната накрая ще стане официална.
Килограмът е мъртъв, да живее килограмът!
Рядко се сещаме в ежедневиято си за метрологията - науката за измерванията. Но тя е много важна. Това е не само системата, чрез която измерваме света, това е и системата, чрез която учените провеждат своите наблюдения.
Тя трябва да бъде точна и трябва да бъде непроменлива, за предпочитане на базата на законите на нашата Вселена.
Но от седемте базови единици на Международната система от единици (SI), четири не се базират в момента на физически константи: ампер (сила на електрически ток), келвин (температура), мол (количество вещество) и килограм (маса).
"Идеята е, че ако всички единици, базирани на константи на физиката, те по дефиниция са стабилни и непрекъснати в бъдеще и универсално достъпни навсякъде”, обяснява за ScienceAlert Тери Куин (Terry Quinn), директор на Международното бюро за мерки и теглилки (BIPM, International Bureau of Weights and Measures).
Например един метър се определя от разстоянието, което светлината изминава във вакуум за 1/299792458 от секундата. Секундата се определя от времето, необходимо на един атом цезий да осцилира 9 192 631 770 пъти.
Килограмът се определя от… килограм.
Съвременната дефиниция, приета на III-та Генерална конференция по мерки и теглилки (Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) през 1901 г. и е формулирана по следния начин: "килограмът е единица за маса, равна на масата на международния прототип на килограма". Този Международен прототип (еталон) на килограма (IPK, International Prototype of the Kilogram) се съхранява от Международното бюро по мерки и теглилки (намира се в Севър, близо до Париж) и представлява цилиндър с диаметър и височина от 39.17 mm от платинено-иридиева сплав (90% платина, 10% иридий). Размерът на еталона е около размера на топка за голф.
Всъщност килограмът е единствената основна единица в SI, която все още е дефинирана от физически обект.
Има копия на IPK на различни места по света, които се използват като национални стандарти и понякога се връщат във Франция, за да се сравнят с прототипа.
И тук нещата стават интересни - наблюдава се, че масата на тези копия се отдалечава от тази на заключения в трезора IPK. Не е ясно дали копията губят маса или IPK увеличава масата си , но нито един от тези сценарии не е идеален за точността, нужна за науката, дори и да се стигне до микрограми.
През последните няколко години метролозите говорят за необходимостта от нов стандарт. Сега те са готови да предефинират килограма на базата на константата на Планк, съотношението на енергията към честотата на фотона, измерено до най-точната му стойност още през миналата година .
"Едва сега можем да дефинираме килограма като константа на физиката - константата на Планк, скоростта на светлината и резонансната честота на атома на цезия", обяснява Куин.
"Защо участват и трите? Това е така, защото константата на Планк се измерва в kgm 2 s -1 (килограм метър на втора степен върху секунда), така че първо трябваше да определим метъра (спрямо скоростта на светлината) и секундата (по отношение на атома на цезия в атомния часовник)".
Така, при новата дефиниция, величината на един килограм ще бъде „зададена чрез определяне на числената стойност на константата на Планк, която да е равна на точно 6.626 069… × 10 –34, изразено в единица SI m 2 s -1kg, което е равно на J s (джаул-секунда - Джаул-секунда описва количеството действие, което се случва в една физическа система чрез сумиране на енергия (или топлина, или работа ) с течение на времето). "
В живота на повечето хора това няма да предизвика никаква видима разлика - килограм ябълки преди промяната пак ще бъде килограм ябълки след промяната, но това ще има значение за метролозите в частност и за учените като цяло..
Тъй като, както бе отбелязано, стандартите за базовите единици се опират на други базови единици. Канделата, амперът и молът ще бъдат предефинирани до по-голяма точност въз основа на килограма.
"[Новата дефиниция] значително ще подобри разбирането и елегантността на преподаването на единиците", твърди Куин. "Това ще отвори пътя за неограничени подобрения в точността на измерванията, ще подобри значително точността и ще разшири възможностите за извършване на точни измервания при много малки и много големи количества."
Това ще бъде краят на една епоха, наистина - и също началото на нова.
Що се отнася до самия IPK, малкото парче метал, което е било толкова важно толкова много години, ще продължи да се съхранява в същите условия, както досега, под два буркана в хранилище с контролиран климат.
Той е част от историята, но ще бъде проучен и „в следващите години и десетилетия ще можем да наблюдаваме как се променя неговата маса“, разказва Куин, този път съпоставяйки го с новата, неизменна дефиниция на килограма. Така че най-накрая ще можем да кажем със сигурност дали еталонът е губел маса през цялото това време.
Куин също така отбеляза, че макар да изглежда сложна, новата система може да бъде лесно разбрана за всеки. Самият той построил прост ват баланс* от Лего в мазето си, който можел да измерва директно с константата на Планк, в рамките на 5 процента грешка.
*Балансът на Кибъл или ват балансът е електромеханичен измервателен уред, който измерва теглото на тестовия обект много точно чрез електрически ток и напрежение, необходими за произвеждане на компенсираща сила.
"Учениците, коментира той, "ще могат да се забавляват с него".
Определението за новия килограм влиза в сила на Световния ден на метрологията - 20 май 2019 г.
Източник:
Tomorrow The Definition of The Kilogram Will Change Forever. Here's What That Really Means, ScienceAlert
