De wereld heeft zojuist de kilogram opnieuw gedefinieerd

Het omvat complexe wetenschap en prachtig eenvoudige filosofie.

De Kibble-balans is de machine die het herdefiniëren van de kilogram mogelijk maakt.

Veertig voet onder de grond in Gaithersburg, Maryland, in een helderwit laboratorium dat drie afzonderlijke sleutels nodig heeft om binnen te komen, slaan de Verenigde Staten een kostbare verzameling kleine, glanzende metalen cilinders op die letterlijk de massa van alles in dit land bepalen.



Ze zijn mooi, met spiegelende afwerkingen, en ik moet de verleiding weerstaan ​​om ze aan te raken. Als ik ze aanraakte, zou ik ze kunnen besmetten met olie van mijn huid en mogelijk hun gewicht verhogen. Patrick Abbott, de bewaker van de kilogram hier bij de National Institutes of Standards and Technology (NIST), zegt me dat dit erg slecht zou zijn.

Momenteel heeft de kilogram een ​​heel eenvoudige definitie: het is de massa van een stuk platina-iridiumlegering die is ondergebracht bij het International Bureau of Weights and Measures in Sèvres, Frankrijk sinds 1889 . Het wordt het International Prototype Kilogram genoemd (ook bekend als Big K of Le Grand K) , en het heeft vele exemplaren over de hele wereld - waaronder zeven bij NIST in Gaithersburg - die worden gebruikt om weegschalen te kalibreren en ervoor te zorgen dat de hele wereld op één meetsysteem zit.

Hier is een van de kopieën bij NIST, genaamd K4, gesmeed uit hetzelfde stuk metaal waaruit Big K in de 19e eeuw is gemaakt.

Bij NIST is Patrick Abbott de bewaarder van de kilogram.

Dit is K4, een kopie van het International Prototype Kilogram, gesmeed uit dezelfde platina-iridiumlegering.

Bekijk het eens goed. Want zeer binnenkort verandert deze 129 jaar oude norm voor de kilogram.

Op vrijdag kwamen wetenschappers van over de hele wereld bijeen op de Algemene Conferentie over maten en gewichten in Versailles, Frankrijk, en gestemd om de definitie van een kilogram te veranderen , het verbinden met een universele constante in de natuur. De wijziging gaat in op 20 mei 2019.

Een belangrijke reden voor de verandering is dat Big K niet constant is. Het heeft verloren 50 microgram (ongeveer de massa van een wimper) sinds het is gemaakt. Maar frustrerend genoeg, wanneer Big K massa verliest, is het nog steeds precies één kilogram, volgens de huidige definitie.

wie stemt er op de dnc-voorzitter

Als Big K verandert, moet al het andere zich aanpassen. Of nog erger: als Big K zou worden gestolen, zou het massametingssysteem van onze wereld in chaos worden gestort.

Met de stemming vrijdag kozen 's werelds beste meetwetenschappers ervoor om de kilogram aan de Planck-constante toe te voegen, een fundamenteel concept in de kwantummechanica dat nooit, maar dan ook nooit kan veranderen - hier op aarde of in de diepe uithoeken van het universum.

Dit is meer dan een wetenschappelijke overwinning. Het is ook een filosofische, zoals ik heb geleerd van de NIST-wetenschappers die jarenlang aan de herdefiniëring hebben gewerkt en dit moment de meest opwindende tijd van hun hele carrière noemen.

Met de nieuwe definitie voltooit de Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen de oorspronkelijke droom van het metrieke stelsel, die werd omarmd tijdens de Franse Revolutie. Het metrieke stelsel - dat evolueerde naar het International System of Units, of SI - was ontworpen om voor alle tijden en voor alle mensen te zijn.

Objecten veranderen altijd, zegt Stephan Schlamminger, een NIST-wetenschapper die betrokken was bij de herdefinitie. Met de nieuwe definitie, zegt hij, gaan we van een object op aarde naar het spul in de hemel.

En dat is iets om te vieren. In een wereld waar alles altijd in beweging lijkt te zijn, hebben deze wetenschappers er nu voor gezorgd dat de kilogram nooit zal veranderen.

Een korte geschiedenis van de kilogram

Hoe weet je wat iets weegt? Ik weet het, er is een voor de hand liggend antwoord: je zet het op een schaal.

Maar als je naar een supermarkt gaat en een bundel appels weegt, hoe weet die weegschaal dan hoe een pond fruit aanvoelt?

Om massametingen zinvol te laten zijn, hebben we een vast vergelijkingspunt nodig. Die appels moeten meer of minder wegen dan iets. Om chaos te voorkomen en onze economie te laten functioneren, moet dat iets universeel worden erkend.

De weegschaal in uw supermarkt is gekalibreerd met een gewicht dat is gekalibreerd met een gewicht dat is gekalibreerd met een gewicht, enzovoort. En al die kalibraties gaan terug tot hier, in de ingewanden van NIST. Consistente gewichten en maten zijn van belang voor meer dan boodschappen: stel je voor dat Boeing niet precies zou kunnen bepalen wat een vliegtuig weegt, of dat de farmaceutische industrie de exacte massa van een kleine, potentieel dodelijke dosis medicijn niet zou kunnen bepalen.

Deze weegschaal in Trujillo, Peru, meet eenheden in ounces, ponden, grammen en kilogrammen.

Leon Neal/Getty Images

In de Verenigde Staten gebruiken we nog steeds imperiale eenheden: ponden en ounces. Maar eigenlijk zijn al onze metingen afgeleid van het Internationale Stelsel van Eenheden, of SI, dat meters en kilogrammen gebruikt als de fundamentele eenheden van lengte en massa.

Als het om massa gaat in de VS, gaat alles terug op deze puckvormige cilinders, die precies zijn bewerkt om 1 kilogram te wegen. Officieel, in de VS, 1 pond is gedefinieerd als 0,45359237 kilogram. Een voet wordt gedefinieerd als 0,3048 meter.

Maar het systeem was niet altijd zo ordelijk. Vóór de Franse Revolutie en de uitvinding van het metrieke stelsel waren de systemen van gewichten en maten over de hele wereld een chaotische, onhandelbare puinhoop.

Stel je een wereld voor waarin je elke keer dat je reisde verschillende conversies moest gebruiken voor metingen, zoals wij doen voor valuta, Madhvi Ramani van de BBC verklaart . Dit was het geval vóór de Franse Revolutie aan het einde van de 18e eeuw, waar de maten en gewichten niet alleen van natie tot natie varieerden, maar ook binnen naties.

De Franse Revolutie ging over het omverwerpen van oude, archaïsche, chaotische hiërarchieën die waren overgebleven uit het feodale tijdperk en over het opnieuw vormgeven van de samenleving met egalitaire principes in gedachten.

Geïnspireerd door de revolutie wilden wetenschappers destijds een frisse start maken met een nieuw, consistent meetsysteem, waarbij eenheden niet gebaseerd waren op willekeurige mandaten van koningen, maar op de natuur. Het doel was om een ​​meetsysteem te creëren voor alle tijden, voor alle mensen.

Dus toen het International Bureau of Weights and Measures aan het eind van de 19e eeuw in Frankrijk werd opgericht, werd de meter - de standaardeenheid voor lengte - gemaakt om een ​​tienmiljoenste van de afstand van de Noordpool tot de evenaar te zijn. De gram is geïnspireerd op de dichtheid van water: het is ongeveer gelijk aan de massa van 1 kubieke centimeter water op een temperatuur van 4°C.

Om deze nieuwe eenheden te verspreiden - om ervoor te zorgen dat iedereen in de wereld ze begreep - besloten de uitvinders van het metrieke stelsel fysieke objecten te creëren om ze te belichamen en te definiëren. Ze maakten een metalen staaf van precies 1 meter lang. Ze creëerden Big K om de massa van 1 kilogram of 1.000 gram weer te geven.

Sinds de 19e eeuw zijn alle fysieke overblijfselen van het oude metrieke stelsel vervangen door metingen die zijn aangebracht op constante natuurkrachten. De meter werd oorspronkelijk gedefinieerd als een deel van de grootte van de aarde. Maar zelfs de vorm van de wereld is niet permanent. Heck, de De aarde is misschien niet eens permanent . Dus vandaag wordt de meter bepaald door de snelheid van het licht. De tweede is bevestigd aan de beweging van de atomen van het element cesium.

Alleen de kilogram wordt voorlopig nog gedefinieerd door een fysiek object.

Dus wat is deze nieuwe definitie van de kilogram? Bereid je voor, want het is een beetje een doozy.

hoe kwam Tony aan de stenen?

De wetenschap van het herdefiniëren van de kilogram in termen van de constante van Planck, uitgelegd

De stemming van vrijdag op de Algemene Conferentie over maten en gewichten is unaniem aangenomen. Maar de wijzigingen worden niet van kracht tot Mei 2019. Wanneer de verandering komt, is dit hoe de kilogram zal worden gedefinieerd in het International System of Units:

De kilogram, symbool kg, is de SI-eenheid van massa. Het wordt gedefinieerd door de vaste numerieke waarde van de constante van Planck h te nemen als 6.626 070 15 × 10-3. 4uitgedrukt in de eenheid J s, die gelijk is aan kg m2s-1, waarbij de meter en de tweede worden gedefinieerd in termen van c en ∆νCs.

Wat maakt het uit?

Het is veel moeilijker uit te leggen dan een stuk metaal in Frankrijk. Maar laten we het proberen.

In principe zal de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten de waarde van de Planck-constante vaststellen, die beschrijft hoe de kleinste stukjes materie energie vrijgeven in discrete stappen of brokken (quanta genaamd).

Met de stemming op vrijdag zal de constante van Planck nu en voor altijd worden ingesteld op 6.62607015 × 10-3. 4m2kg/s. En uit deze vaste waarde van de constante van Planck kunnen wetenschappers de massa van een kilogram afleiden.

Deze herdefinitie-inspanning heeft tientallen jaren geduurd omdat de constante van Planck klein is (het begint met een decimaal en wordt gevolgd door 33 nullen) en moest worden berekend tot een superkleine foutmarge. Het werk vereiste zorgvuldige metingen met een ongelooflijk gecompliceerde machine genaamd de Kibble-balans (meer daarover hieronder), evenals observaties van een extreem ronde bol van silicium .

Die uitleg lijkt misschien wankel. En het is. Maar om het beter te kunnen waarderen, is het nuttig om te kijken hoe de meter - 's werelds standaard lengte-eenheid - werd geherdefinieerd in termen van de lichtsnelheid als een voorbeeld van waarom dit nodig was.

De meter werd oorspronkelijk gedefinieerd als de lengte van een staaf door het International Bureau of Weights and Measures in Frankrijk. (Het was toen) opnieuw gedefinieerd gelijk zijn aan een bepaalde golflengte van straling.) Nogmaals, het probleem met deze definitie was de onnauwkeurigheid ervan. Het was niet gebaseerd op onveranderlijke eigenschappen van het universum.

De lichtsnelheid daarentegen is een onveranderlijke 299.792.458 meter per seconde. Het maakt niet uit waar je bent, geloven wetenschappers, het blijft hetzelfde. (Tenminste, als het verandert, zou dat bijna alles wat we weten over natuurkunde op zijn kop zetten.)

tegen 1983 , waren natuurkundigen heel goed geworden in het meten van de lichtsnelheid. Dus gebruikten ze het om de lengte van de meter voor altijd vast te leggen, om het permanent te maken. Dit is hoe: ze hebben de meter opnieuw gedefinieerd om gelijk te zijn aan de afstand die het licht in 1/299.792.458 van een seconde in een vacuüm aflegt. In wezen is de definitie van de meter nu ingebakken in de definitie van de lichtsnelheid.

Hier zit een poëzie in: wetenschappers namen de meter - een willekeurige lengtemeting uitgevonden door mensen - en bevestigden deze aan een universele constante. Onze rommelige menselijke metingen hebben hun rommelige menselijkheid overstegen; ze zijn versmolten met een eeuwige waarheid.

De nieuwe, lichtgedefinieerde meter is even lang als de oude meterstandaard in Parijs. Maar in tegenstelling tot de oude standaard in Parijs, kan de definitie van de meter nu nooit, nooit veranderen.

Hetzelfde gebeurt met de constante van Planck. Net als de snelheid van het licht is de constante van Planck een universele waarheid die nooit zal veranderen.

Door een uiteindelijke waarde van de Planck-constante in te stellen - waarvan de eenheden de kilogram omvatten, net zoals de eenheden van de lichtsnelheid de meter omvatten - is de grootte van een kilogram voor altijd stabiel. Je kunt het ook zo zien: de kilogram is verankerd aan de constante van Planck, waar hij voor altijd zal rusten.

(Misschien als je goed hebt gelezen, heb je gemerkt dat er hier een beetje een kip-en-ei-probleem is. Hoe probeer je een meter te definiëren in termen van de lichtsnelheid als je metingen van de lichtsnelheid ook de eenheidsmeter bevatten? Hetzelfde geldt voor de constante van Planck: deze bevat kilogrammen in zijn eenheden. Kort antwoord: dit is de reden waarom de mensen die aan deze problemen werken een doctoraat hebben.)

De Kibble-balans is de machine die dit allemaal mogelijk maakt

Het opnieuw definiëren van de kilogram in termen van de Planck was een enorme uitdaging, een die tientallen jaren in beslag heeft genomen.

Ten eerste moesten wetenschappers de Planck-constante uiterst nauwkeurig kunnen meten. Als onze schatting van de lichtsnelheid een grote foutmarge zou hebben, zou het geen betrouwbaar anker zijn om een ​​meter te meten. Hetzelfde geldt voor de Planck.

Decennialang hebben de wetenschappers van NIST, evenals een paar andere laboratoria over de hele wereld, een machine gebruikt die de Kibble-balans wordt genoemd (soms de watt-balans genoemd) om de Planck-constante nauwkeurig te meten in een zodanige mate dat het kan worden gebruikt om de kilogram opnieuw te definiëren.

Net als de kilogramnormen, bevindt de Kibble-balans zich diep onder de grond bij NIST. Het is gebouwd op een betonnen vloer die letterlijk boven de fundering van het gebouw kan zweven om de gevoelige apparatuur beter te isoleren van trillingen van de rest van de faciliteit. Ik moet een plastic net over mijn haar en schoenen dragen om het te kunnen zien, omdat elk beetje vuil het uit de kalibratie kan gooien.

Als de Victorianen een tijdmachine hadden gebouwd en in een brouwerij hadden geparkeerd, zou ik me voorstellen dat het er ongeveer zo uit zou zien.

De Kibble-balans is een ongelooflijk gecompliceerde, mooie machine die mechanische kracht gelijkstelt aan elektrische kracht.

De Kibble-balans werkt enigszins als een eenvoudige massabalans. Stel je de ene voor Vrouwe Justitia houdt in haar hand: het heeft twee pannen die op een centraal punt balanceren. Een eenvoudige balans vergelijkt twee gewichten op elk van de pannen, met als doel ze gelijk te stellen.

De Kibble-balans - genoemd naar zijn overleden uitvinder, de Britse natuurkundige Bryan Kibble - doet iets soortgelijks, maar met een kwantummechanische draai. Het stelt de mechanische energie die wordt uitgeoefend door de massa van een object gelijk aan een equivalente hoeveelheid elektrische energie.

De formule die de Kibble-balans oplevert om massa en elektrisch vermogen gelijk te stellen, is ingewikkeld. (De NIST-wetenschappers brachten me naar het onderstaande whiteboard om het uit te leggen.)

Dit is hoe de Kibble-balans werkt.

Wat belangrijk is, is dat in die vergelijking - tussen alle variabelen die in het spel zijn, waaronder massa, snelheid, zwaartekracht, magnetisme en elektriciteit - de constante van Planck ligt. En met behulp van deze machine konden wetenschappers het oplossen voor Planck. De wiskunde werkt omdat, zoals Albert Einstein ons leerde met zijn beroemdste vergelijking E=mc2, massa en energie zijn in wezen verschillende uitdrukkingen van hetzelfde.

Nu denk je misschien: wat doet de Kibble-balans nu het de Planck-constante is gedefinieerd?

Welnu, het vervangt de behoefte aan Big K in Frankrijk omdat het nu de massa van een kilogram kent in termen van de Planck-constante. En dat wordt een nauwkeurige meting, een manier om ervoor te zorgen dat een kilogram nog steeds een kilogram is, die kan worden gebruikt om objecten te wegen en hun massa te bepalen volgens de nieuwe standaard.

Op dit moment is onze kwaliteitsborging van de stabiliteit van [Big K] gebaseerd op overeenstemming, zegt Abbott. We zeggen dat het niet zal veranderen. Onze kwaliteitsborging voor de Kibble-balans is dat deze is gebaseerd op een natuurconstante die rigoureus door de hele wereld is gemeten. en we weten dat het niet verandert. Het is het verschil van de wereld.

De democratisering van maten en gewichten is aan de gang

Nog steeds bij me?

Als je het allemaal hebt verdoezeld, dan is dit waar al deze verandering op neerkomt: we hebben niet langer een regering nodig - de VS, Frankrijk, wie dan ook - of een internationaal bestuursorgaan om ons te vertellen wat een kilogram is. Het zal een fundamentele waarheid van het universum zijn, beschikbaar voor iedereen met de juiste apparatuur om het te realiseren.

In theorie kan iedereen een Kibble-balans opbouwen. (Er is mij verteld dat er geminiaturiseerde exemplaren onderweg zijn.) Ze kunnen dit experiment bouwen, en ze kunnen elke massa meten die ze willen, elk materiaal, leg het gewoon op de weegschaal en je krijgt de waarde van de massa, absoluut, in termen van de constante van Planck, zegt Darine El Haddad, die het Kibble-balansexperiment bij NIST leidt. De Kibble-balans zorgt voor een absolute meting, zegt ze.

In de toekomst hoeft de maakindustrie hun gewichten en schalen niet naar NIST te sturen voor kalibratie. Ze zouden een Kibble-balans op hun fabrieksvloer kunnen hebben. In dat licht is de nieuwe definitie democratischer - een die vrij over de hele wereld kan worden gebruikt en niet opgesloten wordt gehouden in een zaak in Frankrijk.

Er zijn echter enkele grote nadelen aan de verandering. Mensen begrijpen het metrische systeem niet eens, zegt Abbott. Hoe ga je een Kibble-balans verklaren? De complexiteit van de definitie kan een afknapper zijn voor mensen die meer willen weten over wetenschap. Een basisschoolkind kan begrijpen dat een homp metaal een kilogram weegt, maar kwantummechanica?

Schlamminger stelt dat hoewel de nieuwe definitie technisch ingewikkelder is, filosofisch gezien eenvoudiger is. De kilogram zal binnenkort worden bepaald door de fundamentele fysica van het universum, niet door een menselijke machinale bewerking.

hoe laat zijn de academieprijzen 2017

Schlamminger heeft de grondwoorden van het metrieke stelsel, voor alle tijden, voor alle mensen, op zijn arm getatoeëerd, naast de cijfers van de constante van Planck. Zo sterk gelooft hij in het ideaal. Hij ziet dit werk als het beëindigen van de boog die begon met de Franse Revolutie. En het is compleet: met de stemming van vrijdag is de kilogram nu voor altijd, voor altijd en voor alle mensen.

De constante tatoeage van Stephan Schlamminger van Planck wordt gevolgd door het oprichtingsmotto van het metrieke stelsel: voor alle tijden, voor alle mensen.