Теглото на 1 килограм скоро ще бъде предефинирано

Един от физиците в Националния институт по стандарти и технология веднъж е казал "Ако някой кихне върху стандарта за килограм, изведнъж всички тегла по света ще се окажат грешни."

Той има предвид цилиндър, понякога наричан Le Grand K, който се съхранява в трезор в Париж, където се третира като безценен скъпоценен камък. Масата на всичко по света - на самите нас, на плодовете и зеленчуците ни, на екзопланетите и галактиките - се определя по масата на този 126-годишен платинено-иридиев цилиндър, т.нар международен прототип. Изследователите във всяка сфера на науката и инженерството трябва да са сигурни, че използват едни и същи стандартни точки, като всеки друг учен и инженер по света. Без цилиндъра няма стандарт.

Le Gran K е килограмът, срещу който се мерят всички килограми и учените биха направили всичко, за да избегнат контакта на мръсни ръце или мръсен въздух с него - особено, когато се отнася до кихане.

The Russion Doll Treatment: Реплика на прототипа на килограма в музея на науката и индустрията в Париж. Това е стандартния начин на съхранение на стандартите - в поредица от няколко плътно прилепващи стъкленици означаван като "the Russian-doll technique" Оригиналният Le Grand K е толкова ревностно пазен, че не се допуска снимането му. Снимка: Japs 88/Wikicommons

На всеки няколко десетилетия, откакто е изготвен прототипът, учени изваждат цилиндъра, изчистват го с разтвор, обливат го с пара и отново сверяват масата му. Те се уверяват, че 6те официални негови копия, съхранявани в същия трезор съвпадат напълно по маса.

Тези проверки, извършвани на около 40 години, се правят от 1889 г. насам. През 1992 се случва немислимото: при сравняване между второто и третото измерване се оказало, че или оригиналът е загубил около 50 микрограма - приблизителната маса на едно пясъчно зрънце - или копията са увеличили масата си с това количество. Въпреки че става дума за минимална разлика, тези измервания показват, че "килограмът не е стабилен," разказва Питър Мор (Peter Mohr), физик, специалист по предефинирането на основни мерни единици.

Копие на оригиналния платинено-иридиев цилиндър, който се използва като прототип на килограма по цял свят.

Поради това много учени отхвърлят ролята на цилиндъра, определяйки го като провал поради потенциала му да всее хаос в научната практика. В норвежки филм със заглавие "1001 грама" се твърди: "Човекът определя дефиницията за тегло, но е също толкова важно да разберем какво причинява дефиницията за тегло на самия човек."

За щастие всичко това е на път да се промени.

Всички проблеми с Le Grand K и подобните на него стандарти изчезват, когато използваме фундаменталните природни константи. Тъй като те не варират по дефиниция (изключваме някои от най-новите теории във физиката) те могат да се използват за предефиниране на всички основни единици, включително килограмът, без да се повлияват от едно просто кихане. Това е планирано да се случи през 2018 г., според Ричард Дейвис (Richard Davis), физик в Международното бюро мерки и теглилки, което е официалният орган, отговарящ за международните стандартни мерни единици.

Някои базови единици вече са модернизирани. Секундата, например, която е била определяна като част от продължителността на деня, сега се определя по това колко често електроните в един атом цезий променят своите енергийни нива. Метърът, също, е много по-точен от преди. В края на 18-ти век, Френската Академия на Науките дефинира метъра като една десетомилионна от разтоянието между Cеверния полюс и Eкватора, по меридианът, преминаващ през Париж. Почти 100 години по-късно, метърът се превърнал в дължината на специфично платина-иридиево блокче. Съвсем скоро, през 1983 г., метърът бил предифиниран като разстоянието, което изминава светлината във вакуум за 1/299 792 458 от секундата. Това свързва метърът със скоростта на светлината, която е една от фундаменталните константи в природата. Канделата, мярка за интензитет на светлината също от системата SI, преди е зависела от яркостта на специфичен тип свещ. Сега една кандела е равна на светенето на абсолютно черно тяло с площ 1/60 кв.см. при температурата на топене на платината (1773 С) и налягане 1 атмосфера в посока перпендикулярна на повърхността. Електрическа крушка с мощност 100 вата свети с интензитет около 120 кандели по посока, обратна на фасунгата.

Други единици също предстои да бъдат предефинирани скоро. Амперът, единица за електричен ток, ще бъде обвързан с елементарния заряд (е), вместо с хипотетичния експеримент с участието на безкрайно дълги успоредни проводници. Келвинът, единица за температура, вече няма да зависи от характерните свойства на водата, ами ще се осланя на Болцмановата константа, която изразява отношението на температурата към енергията на отделните частици. Молът, единица за количество вещество, вече няма да зависи от стандартна бучка въглерод-12. Вместо това стойността му ще се получава от числото на Авогадро (6,02х10²³)

Миналата година, като част от процеса на предифиниране, за едва четвърти път в историята, цилиндърът Le Grand K е бил изваден от своя суперобезопасен трезор. Това е началото на това, което от бюрото за мерките наричат "изключителни калибрации" - цилиндърът се сравнява със своите копия (при това измерване не била установена загуба на тегло като миналия път) и скоро той ще бъде използван при калибрацията на нови устройства, които ще определят масата на основата на константата на Планк, фундаментална стойност от квантовата механика, която свързва енергията на фотона с неговата честота.

Веднъж след като килограмът бъде обвързан с константата на Планк, Le Grand K ще стане напълно излишен.

"Последният тест," разказва физикът Мартин Милтън, директор на Бюрото по мерките, "ще бъде да се уверим, че старите и новите дефиниции дават едни и същи експериментални резултати". След това, според него, така почитаният прът от платина и иридий, може все още да се използва от някои учени, тъй като той все пак ще поддържа официалната маса на един килограм, "но вече няма да е толкова специален и уникален".

Бъдещето на Le Grand K е несигурно. Може би един ден, не толкова далеч от настоящето, той ще се озове в някой музей на бъдещето, където някой, бършещ праха по експонатите най-накрая ще кихне върху него.

Източник: Nautilus magazine