Mikil breyting: Þjóðir endurskilgreina kílóið

WASHINGTON - Mannkynið tók bara þunga ákvörðun. Fulltrúar meira en 60 þjóða, samankomnir í Versali í Frakklandi, samþykktu á föstudag nýja skilgreiningu á kílóinu.

Frá 19. öld hafa vísindamenn byggt skilgreiningu sína á grunneiningu massa á efnislegum hlut - skínandi platínu iridium hólk sem geymdur er í læstri hvelfingu í iðrum Alþjóða þyngdar- og mælikvarðastofnunarinnar (BIPM) í Sevres, Frakklandi. Kíló jafngilti þunga þessa öldrunar málms og vó þessi strokkur, samkvæmt skilgreiningu, nákvæmlega kíló. Ef strokkurinn breyttist, jafnvel aðeins, þá varð allt alþjóðlegt mælikerfið líka að breytast.

Með atkvæðagreiðslunni á föstudag endurskilgreindu vísindamenn kílóið fyrir 21. öldina með því að binda það við grundvallareiginleika alheimsins - lítil, undarleg mynd úr skammtaeðlisfræði þekkt sem Plancks fasti, sem lýsir minnstu mögulegu orkueiningu.

Þökk sé opinberun Alberts Einsteins um að orka og massi séu skyld, getur það að ákvarða nákvæmlega hversu mikil orka er í þeirri einingu gert vísindamönnum kleift að skilgreina massa með tilliti til Plancks fasta - gildi sem ætti að haldast yfir rúm og tíma - frekar en að treysta á óstöðugan málm strokka. (Massi ákvarðar þyngd eitthvað og í flestum tilgangi er hægt að skipta um massa og þyngd.)

Auglýsing Saga heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

Endurskilgreiningin er afleiðing af áratuga langri, heimsvísu leit að því að mæla stöðuga Plancks nógu nákvæmlega til að talan myndi standast vísindalega skoðun.

Þó að nýskilgreint kíló hafi ekki áhrif á baðherbergisvogina þína, mun hún hafa hagnýt notkun í rannsóknum og iðnaði sem eru háð nákvæmum mælingum.

Atkvæðagreiðslan á föstudag var að mestu leyti formsatriði; allir sem hlut eiga að máli vissu að ályktunin yrði samþykkt. En fyrir Jon Pratt, einn af leiðtogum þessa alþjóðlega átaks, snerist viðburðurinn um meira en táknmál, stærra en viðskipti og jafnvel umfram eðlisfræði.

Á þessu tímum ofbeldis og vitrunar, þegar það virðist vera svo lítið sem fólk getur verið sammála um, sagði Pratt, endurskilgreiningin táknar eitthvað háleitt.

Sagan heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

Það er viðurkenning á óumbreytanlegum sannleika - að náttúran hefur lögmál sem við öll lútum. Og það er enn eitt skrefið í átt að háleitum draumi - að með því að skilja lögmál náttúrunnar geti vísindamenn hjálpað til við að byggja upp betri heim.

Vísindamaðurinn glotti, sauðveikur. „Þetta er tilfinningaþrungin stund,“ sagði hann. „Ég er bara mjög stoltur af tegundinni okkar.

Skilur eftir 'Le Grand K'

Hjá National Institute of Standards and Technology (NIST) í Gaithersburg, Md., þar sem Pratt starfar, er mælingum oft lýst sem „ósýnilegum innviðum“ nútímaheimsins. Allt sem maður gerir - hvort sem það er að athuga klukku, spá um veðrið, elda máltíð, smíða eldflaug, skrifa undir samning, heyja stríð - krefst einhvers konar mælinga.

Sagan heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

Alþjóðlega einingakerfið, eða SI, er það sem gerir okkur kleift
til að miðla mælingum um allan heim. Þessu kerfi, sem á uppruna sinn að rekja til æðrulausra daga upplýsingatímans, var ætlað að binda enda á deilur um fjölda spænskra vara í breskum furlong og draga úr áhyggjum kaupmanns sem keypti vörur í Hollandi, þar sem þyngdareiningin var miðað við magn af fiski sem rúmast í skiparúmi og seldi hann í Frakklandi þar sem þungi var bundinn við þunga hveitikorns.

Einkunnarorð eins af höfundum kerfisins, „fyrir alla tíð og fyrir alla,“ er meðal uppáhalds setninga Pratt.

„Þetta er svo bjartsýn skoðun,“ sagði Pratt. „Hann ímyndaði sér bara þetta vísindastarf . . . ætlaði að verða mikið afl fyrir frelsi og mikið afl til að koma heiminum áfram.

Sagan heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

Árið 1875 gerði undirritun mælisáttmálans kerfið opinbert. Tvær frumgerðir af platínu og iridium - metralengd stöng og kílógramma strokka - voru svikin til að þjóna sem staðlaðar einingar fyrir allan heiminn. BIPM dreifði eintökum af hverri frumgerð til undirritaðra þjóða; aldargamla bandaríska þjóðarkílóið situr enn í glerskáp í læstu herbergi í ganginum frá rannsóknarstofu Pratt.

Eftir því sem vísindum og viðskiptum fleygði fram stækkaði SI til að innihalda einingar fyrir annars konar mælingar og skilgreiningarnar voru endurskoðaðar til að gera ráð fyrir meiri og meiri nákvæmni. Frumgerð mælisins var sleppt í þágu vegalengdarinnar sem ljós fer í lofttæmi á einni 299.792.458. úr sekúndu. Lengd sekúndu var tengd við geislunarlotur frumefnisins cesium.

Þessi gildi— ljóshraða, hegðun atóma, eðli rafsegulsviðs —eru grundvallareiginleikar náttúrunnar sem breyta ekki hvort áhorfandinn er á jörðinni eða Mars, hvort sem það er árið 1875 eða 2018.

Sagan heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

En kílógramma frumgerðin, þekkt sem „Le Grand K,“ var gerð af mönnum og er háð öllum takmörkunum okkar. Það er óaðgengilegt - peningaskápinn sem inniheldur strokkinn er aðeins hægt að opna af þremur forráðamönnum sem bera þrjá aðskilda lykla, atburður sem hefur gerst færri en tugi sinnum í 139 ára sögu hlutarins. Og það er ósamræmi - þegar Le Grand K var skoðaður á níunda áratugnum vó hann nokkrum míkrógrömmum minna en hann átti að vera. Þetta þýddi að allir sem framleiddu vörur byggðar á stöðlunum þurftu að gefa út lóðin aftur. Framleiðendur voru reiðir. Lögreglumenn voru kallaðir til. Málfræðingar, fólk sem rannsakar mælingar, var sakað um vanhæfni.

Svo, á fundi 2014 hjá BIPM, ákvað mælifræðisamfélagið að endurskilgreina kílóið. En gildi Plancks fasta var enn óvíst og vísindamenn gátu ekki endurskilgreint kílóið án hans.

„Elta fullkomnun“

Það eru meira en 100 ár síðan skammtaeðlisfræðingurinn Max Planck uppgötvaði að orka er tjáð í stakum einingum - það er að segja að hún er „magngreind“. En fasti hans - tala sem lýsir stærð þessara orkupakka - hefur verið erfitt að setja niður.

Auglýsing Saga heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

Það eru aðeins tvær tilraunauppsetningar sem gera vísindamönnum kleift að reikna út þessa tölu og báðar þurfa sjaldgæf og dýr verkfæri.

Ein tækni felur í sér að telja öll atómin í fullkomlega kringlóttri kísilkúlu.

Annar valkosturinn notar stórkostlega nákvæma vigtarvél sem kallast wattavog, sem mælir massa hlutar með því að reikna út kraftinn sem þarf til að lyfta honum. Þetta er enginn venjulegur mælikvarði; það tókpar breskra vísindamannanokkra áratugi til að finna upp og betrumbæta tækið, og það eru aðeins tvö í heiminum nógu öflug til að uppfylla háar kröfur BIPM um nákvæmni.

Einn er í Kanada. Hinn situr inni í rannsóknarstofu Pratt í NIST kjallaranum.

Sagan heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

„Þetta er virkilega fallegt hljóðfæri,“ sagði Pratt í nýlegri heimsókn í stálhúðaða herbergið þar sem vogin er geymd. „Mér finnst gaman að koma hingað og stara á það.

Hin risastóra málmvél, sem tók fimm ár að smíða, er álíka há og atvinnumaður í körfubolta og skínandi eins og diskókúla, með wolframkarbíðsúlu sem jafnvægið lamir á og eins tonna segull sem hjálpar til við að mynda kraft. Á meðan tilraunir eru keyrðar er allt jafnvægið komið fyrir inni í lofttæmihólf. Allir sem stjórna tækinu verða að vera í hárneti, rannsóknarfrakka og stígvélum. Pratt og samstarfsmenn hans mæla alla þætti sem gætu haft áhrif á niðurstöðu þeirra, allt frá hitastigi herbergisins til styrks þyngdarafls jarðar.

„Í eðlisfræðilegum skilningi erum við í raun að elta fullkomnun hér,“ sagði Pratt. „Við þurfum virkilega á hlutunum að halda til að haga sér eins og hugsjónaútgáfur þeirra.

Sagan heldur áfram fyrir neðan auglýsingu

Ályktunin frá 2014 krafðist þess að að minnsta kosti eitt tæki þyrfti að reikna út fasta Planck í óvissu upp á aðeins 20 hluta á milljarði— eða innan við 0,000002 prósent af því sem talið er að sé rétt tala.

Þann 30. júní 2017, daginn fyrir frestinn til að skila inn gildi til vigt- og mælinefndar BIPM, birtu Pratt og teymi hans loksins niðurstöðu sem uppfyllti þennan staðal.

Fasti Planck er jafn 6,626069934 x 10^{-3. 4}kg ∙ m²/s, sögðu þeir. Og óvissa þeirra var aðeins 13 hlutar á milljarð.

Þessi tala kann að vera varla skiljanleg fyrir frjálslegur áhorfandi. En fyrir Pratt, að mæla það, fannst í augnabliki eins og einhverju kosmísku fortjaldi hefði verið lyft og afhjúpaði innstu virkni alheimsins.

Hér í bergmálandi kjallara óljósrar alríkisstofnunar höfðu hann og áhöfn hans af hárnetum nördum komist eins nálægt einum staðli fyrir fullkomnun og nokkur manneskja hefur nokkru sinni verið. Þeir höfðu farið yfir mannlega hlutdrægni sína og jarðneska galla til að gera athugun svo nákvæma að hún mun virka „fyrir alla tíma og fyrir alla“ - eða að minnsta kosti, þar til vísindamenn geta dregið aðra fellingu af fortjaldinu til baka og útrýmt einum meiri óvissu um þessa grundvallarstaðreynd eðlisfræðinnar.

Pratt og samstarfsmenn hans eru ekki einu vísindamennirnir sem hafa eytt meiri hluta síðasta áratugar í að sækjast eftir föstu Plancks.Vísindamenn sem nota wattajafnvægið í Kanada hafa náð mælingu með enn minni óvissu en NIST. Teymi í Þýskalandi og Japan framleiddu svipað nákvæmar mælingar með kísilkúlutækninni.

En ekki voru allar mælingar sammála. Í mælifræðisamfélaginu, þar sem hægt er að veðja um starfsferil á deilur um aukastaf, gæti þetta misræmi hafa verið skelfilegt. „Það var mikið um hemmingar og tuð og á einum tímapunkti voru spurningar um hvort [atkvæðagreiðslan] myndi jafnvel gerast,“ sagði Pratt.

En þessi umræða var líka mikilvægur þáttur í ferlinu. Aðeins með endurteknum athugunum, afsönnunum og staðfestingum verður hugmynd að alþjóðlegri viðurkenndri staðreynd. Það er það sem gerir vísindin stærri en vísindamenn; það er hvernig við komumst að því að eitthvað sé satt.

Samt beið Pratt ekki eftir að umræðunni lyki til að fá gildi NIST fyrir Plancks stöðuga húðflúr á framhandleggnum hans - 10 stafa númerið og mynd af styttu sem grípur um metra bar og kílógramma strokk. Og fyrir ofan það, á frönsku, voru orðin sem hafa leiðbeint stórfræðingum frá upphafi:Á öllum tímum, til allra þjóða.

Fyrir allar stundir, fyrir allt fólk.