За 130 лет, а цилиндр из платино-иридиевого сплава и хранится в пригороде Парижа под названием Сен-Клу было официальное определение килограмма, принятого на международном уровне основная единица массы. Но это будет раз и навсегда изменить на 20 мая, когда впервые все основные единицы измерения будут официально определены в терминах атомной свойств и фундаментальных физических констант, а не конкретным человеком объектов.
Другие объекты, на которых физические стандарты, такие как стандарт метр, уже были заменены лет назад, но килограмм обычно именуемый килограмм за короткое оказалось сложнее, аппарат для определения в абсолютном выражении. Физики и инженеры уже мешает, однако, неизбежная неточность блока на основе одного физического объекта.
Несмотря на величайшие предосторожности, каждый раз, когда стандарт кило был обработан, например, чтобы сравнить его с другой блок, который затем может быть использован для калибровки приборов — это прояснит некоторые атомы, а его масса может быть немного изменен. За время своего существования, что стандарт кило потеряла, по оценкам, около 50 микрограммов. Нужен был лучший способ.
Теперь вместо конкретного куска металла в одном месте, кило определяется путем фиксации численного значения фундаментальных констант природы, известной как постоянная Планка. Эта константа связывает энергию фотона с его частотой, и обозначается буквой H. Это теперь определяется как 6.62607015 раз 10-34 кг Таймс-сквер метров в секунду, таким образом, определяя килограмм с точки зрения второго и метр. Со второй и метр уже полностью определена в терминах физических констант, килограмм теперь также определено только в терминах фундаментальных физических констант.
Некоторые могут найти это новое определение сложными и трудными для понимания, но Вольфганг Кеттерле, лауреат Нобелевской премии и Фонда Джона Д. Макартура профессор физики в Массачусетском технологическом институте, не видит его таким образом. “По существу, это определение является слишком простой”, — говорит он.
Кеттерле отмечает, что новое определение килограмма соответствует массе точное количество частиц — очень большого числа частиц. Согласно его формулировке, это 1.4755214 раз 1040 фотоны (частицы света) с определенной длиной волны, который заключается в том, что атомы цезия, используемого в атомных часов.
Нет, это не совсем то, что ваш мясник может разместить на шкале для измерения килограмм говяжьего фарша, но это то, что ученые и инженеры во всем мире и даже инопланетян в других мирах — может сравниться точно, без необходимости носить с собой Весы в Париж, чтобы проверить его.
Кеттерле видит в этом важный сдвиг в стандартах измерения, как поучительный момент, возможность объяснить некоторые основные принципы для широкой аудитории. “В идеале, каждый школьный учитель скажет его или ее классе науки об этом историческом измениться”, — предполагает он.
По случаю официального изменения, который проходит Всемирный день метрологии, 20 мая, Кеттерле доставим беседа по новым стандартам в 4 вечера в тот день в МТИ Хантингтон холл, комната 10-250, где он объяснит, как концепции нового определения килограмма и методы его измерения.
Объясняя, как прочих основных подразделений были определены на основе фундаментальных физических констант-это немного проще, чем на кило: второй, например, определяется как определенное количество колебаний атома цезия. Метр, больше не металлическим прутом в Сен-Клу, теперь определяется как расстояние, которое проходит свет (в вакууме) в определенный промежуток времени, а именно 1/299,792,458 секунды.
Определение килограмма через масс фотонов должен учитывать тот факт, что фотоны постоянно вокруг него носятся со скоростью света — ведь они легкие — поэтому они до сих пор сидят на весах, не представляется возможным. Вместо этого, они могут быть зажаты между парой зеркал, которые образуют “оптической полости”, который держит их под стражей. То, что полости и ее в ловушку фотоны могут быть поставлены на баланс и измерить. Разница между пустой полости и идентичные один полный фотонов, таким образом, предоставляет массу самих фотонов. Так вот концепция измерения килограмм в соответствии с новым определением.
Однако, собирая 1040 фотоны — это 1 с 40 нулями после нее — не практично, поэтому измерения проводятся в значительно меньшем количестве, а затем наращивать шаг за шагом. “Как сосчитать до 1040? Ну, вы не можете,” сказал Кеттерле. “Тем не менее, вы можете сделать это с помощью нескольких шагов”.
Он объясняет этот процесс по аналогии с деньгами: “если ты выиграешь миллион долларов, и она оплачивается в копейки, вы не хотите считать копейки. Вы сначала обменять центы в доллары, а затем долларовые купюры в 100 долларовых купюрах, а затем посчитать их.”
По сути, это принцип, используемый для измерения массы, говорит он. “В метрологии, нечто аналогичное происходит путем сравнения атомной тактовой частоты атомов цезия на более высокий атомной частоты. Затем вы можете использовать эту частоту для измерения массы электрона или одного атома, и только тогда начинай считать”, — говорит он.
На практике, в настоящее время существует два известных методов для измерения массы с высокой точностью. Они известны как сбалансировать корм и монокристаллического кремния сфере. Обе методики, что лаборатории по всему миру теперь могут использовать для того чтобы обеспечить точное стандартом для измерения массы и веса, без снова необходимости соотносить свои мерки с конкретного физического объекта в центральное хранилище.
Более того, теперь, что эти единицы определяются в абсолютном выражении, как только будут разработаны более совершенные методы измерений, точность этих измерений будут соответственно улучшаться, без необходимости пересмотра базовых определений.
Новые определения имеют большую мощность, Кеттерле говорит, потому что “каждый новый метод для подсчета фотонов или атомов или измерять частоты будет способствовать дальнейшему улучшению измерения массы, поскольку масса больше не подключен к неточным, рукотворный артефакт”.
