Kilogrammet omdefinieras - en fysiker förklarar

Anonim

Hur mycket kostar ett kilo? 1000 gram. 2, 20462 pund. Eller 0, 0685 sniglar baserade på det gamla Imperial gravitationssystemet. Men var kommer detta belopp faktiskt från och hur kan alla vara säkra på att de använder samma mätning?

Sedan 1889 har länder som är medlemmar i generalkonferensen om vikter och åtgärder kommit överens om att använda ett standardblock av metall - hålls nära Paris - för att definiera kilogrammet. Men även om det moderna blocket lagras i en starkt kontrollerad miljö kan dess vikt förändras med små mängder som slitage, vilket gör att det förlorar massa och smuts som orsakar att den ökar. För att ta itu med detta problem har forskare runt om i världen spenderat nästan två decennier som diskuterar hur kilogramet istället kan definieras i förhållande till konstanta mått på naturen. Och nu har de äntligen kommit fram till ett beslut.

Den första kilogramen (ursprungligen kallad en grav) definierades 1793 av en fransk vetenskapsakademiens kommission, som ville ha en bättre standard än de fasta mängderna spannmål som traditionellt använts. Kommissionen bestämde att den nya åtgärden skulle vara en massa av en kubikdimeter av destillerat vatten vid 4 ° C (den temperatur vid vilken vatten har sin högsta densitet under normala förhållanden). Detta hade fördelen att de flesta välutrustade laboratorierna skulle kunna reproducera denna standard. Därefter gjutes en prototyp av denna massa i mässing.

Tyvärr var denna definition av massa beroende av en annan variabel mätning, mätaren. Vid denna tidpunkt var mätaren endast preliminärt definierad som en del av avståndet från nordpolen till ekvatorn. När värdet av mätaren och vattentemperaturen vid dess tätaste bestämdes mer noggrant, måste kilogramet också bytas ut. Och en ny prototyp gjordes i platina för att representera denna massa.

Så småningom ersattes det med det internationella prototypkilogrammet (IKP) som används idag, gjutet av en blandning av platina och iridium för att göra det mycket svårt och förhindra att det reagerar med syre. IPK och sex kopior hålls av International Bureau of Weights and Measures i Pavillon de Breteuil, Saint-Cloud, nära Paris i Frankrike för att fungera som en referens för att mäta mot. Kopior av IPK transporteras över hela världen för att säkerställa att alla deltagande länder använder samma standard.

Men även den moderna IPK kan gradvis förändras i massa. Radikalt är svaret från International Bureau of Weights and Measures att översyna definitionerna av ett kilo, liksom alla andra grundläggande måttenheter som används i vetenskapen (så kallade SI-enheter, franska för internationella system).

Istället för att mäta kilometern mot ett block som lagras i ett valv kan vi definiera det baserat på exakta värden av konstanter i naturen. Att enas om en definition har gått länge eftersom vi behövde kunna mäta dessa konstanter till krävande normer med en osäkerhet om 30 delar per miljard (vilket betyder att mätningarna är korrekta till 0.00000003 av en enhet).

Forskare har faktiskt redan gjort det för tid och längd. En sekund är inte längre en bråkdel av tiden det tar jorden att rotera, vilket kan förändras när världen klarar upp eller saktar ner. Istället definieras en sekund nu av den tid det tar för en viss mängd energi att släppas som strålning från atomer av cesium-133. Specifikt motsvarar en sekund 9 192 631 770 övergångar i de hyperfina marknivåerna av Cesium-133. Detta är detsamma oavsett när eller var det mäts.

Forskare kunde sedan omdefiniera mätaren i förhållande till den andra och en annan naturlig konstant, ljusets hastighet i vakuum (c), vilka forskare har beräknat som 299.792.458 meter per sekund. Så en meter är nu den längd som ljuset reste i 1 / c sekunder.

Den nya definitionen av kilogrammet använder en mätning från ett annat fast värde från naturen, Plancks konstant (h), som definieras som 6.62607015 × 10 -34 joule sekunder. Plancks konstant kan hittas genom att dividera mängden energi en partikel av ljus eller "foton" bär med sin elektromagnetiska frekvens.

Konstanten mäts vanligtvis i Joule sekunder men det kan också uttryckas som kilogram kvadratmeter per sekund. Vi vet vad en sekund och en meter är från de andra definitionerna. Så genom att lägga till dessa mätningar, tillsammans med en exakt kunskap om Plancks konstant, kan vi få en ny, mycket exakt definition av kilogrammet.

Andra enheter

En del av anledningen till att den nya definitionen har tagit så lång tid är att forskare har skapat mycket exakta enheter för att mäta Plancks konstant med tillräckligt hög noggrannhet. Metoden har också varit kontroversiell eftersom det kommer att bryta länken som kilogrammet har till andra bas SI-enheter, särskilt molen, som mäter mängden av ett ämne i fråga om antalet partiklar som det är tillverkat av. Vissa forskare har föreslagit alternativa metoder som ett resultat.

Men efter en symbolsk omröstning kommer den nya definitionen av kilogram att användas av International Bureau of Weights and Measures och nationella mätinstitut runt om i världen, tillsammans med nya definitioner av flera andra bas SI-enheter, molen, kelvinen (temperaturen) och ampere (nuvarande).

För de flesta kommer vardagen att fortsätta som vanligt trots omdefinitionerna. En vanlig säck med socker innehåller så mycket socker som någonsin. Men några av dessa förändringar, till exempel för kelvin, kommer att innebära praktiska fördelar för forskare som gör mycket exakta mätningar. Och för att svara på frågan "hur mycket är ett kilo", kommer vi inte längre att behöva jämföra block av platina eller oroa sig för att skrapa dem.