Човечеството току-що взе тежко решение: в петък представители на над 60 страни се събраха във Версай и приеха чисто нова дефиниция за това какво представлява един килограм.
От 19 век насам учените използваха един физически обект, за да определят фундаменталната мерна единица за маса - той представлява блестящ цилиндър от платина и иридий, който се пази под ключ в Международното бюро за мерки и теглилки (BIPM) в Севър, Франция.
Един килограм се равнява на теглото на това парче метал, което, по определение, тежи точно един килограм.
Ако той се видоизмени по какъвто и да е начин, цялата световна система за измерване ще трябва да се промени.
Гласуването на 16 ноември промени разбирането за килограма, като го обвърза с една фундаментална характеристика на науката - т.нар. константата на Планк, основна константа на квантовата теория, която изразява съотношение между величината на енергията на един квант от електромагнитното излъчване спрямо честотата му.
Благодарение на откритието на Алберт Айнщайн, че енергията и масата са свързани помежду си, изчисляването на точната стойност на енергията в тази единица позволява на физиците да дефинират масата й с оглед константата на Планк. Тази стойност е непроменима, независимо от времето и пространството. Това е по-надежден метод за измерване в сравнение с разчитането на непостоянен метален предмет.
Промяната на разбирането за килограма е резултат от десетилетно глобално усилие за измерване на константата на Планк по достатъчно точен начин, така че стойността й да издържи на научна проверка.
Новото определение за килограма няма да се отрази на домашния ви кантар, но ще има практически последици в сферата на науката и индустриите, които зависят от фини измервания.
Гласуването в петък беше по-скоро формалност, защото всеки ангажиран с този проблем знаеше, че решението ще бъде одобрено. И все пак събитието има знаменателно значение, далеч нахвърлящо бизнеса или физиката.
В епоха на противоречия и взаимно недоверие, когато все по-рядко хората намират обща кауза, промяната на тази дефиниция представлява фундаментална крачка напред.
Тя е признание за една неизменна истина - природата има своите закони, на които всички ние сме подчинени. Решението е и още една крачка напред към една възвишена мечта - разбирайки природните закони, учените могат да помогнат за изграждането на един по-добър свят.
За физиците мерните единици са "невидимата инфраструктура" на модерния свят. Всяко човешко действие - поглеждането на часовника за точно време, прогнозата за времето, готвенето на храна, изграждането на космическа ракета, подписването на договор или обявяването на война - изисква определени измервания.
Международната система единици позволява на хората да се разбират помежду си, когато си предават информация за конкретните параметри на обекти или явления. Системата, която се разработва още от Просвещението насам, цели да прекрати споровете между различните национални мерни единици. Дотогава в Холандия теглото се изчислява според обема риба, който може да се побере в хранилището на един кораб. Във Франция обаче теглото се мери в съответствие с количеството пшенично зърно.
Мотото на създателите на международната система единици е "за всички времена и за всички хора".
Подписването на т.нар. Конвенция за метъра от 1875 г. официализира системата за мерните единици. Създадени са два прототипа от платинено-иридиева сплав - четвъртит лост с дължина 1 метър и цилиндър с тегло от 1 кг. Те се превръщат в символа на стандартните измервателни единици в целия свят.
BIPM разпределя копия на всеки прототип до страните, подписали конвенцията. С напредъка на науката и търговията Международната система единици се преразглежда, за да бъде прецизирана допълнително.
Прототипът на метъра е сменен - на негово място се възприема формулата за разстоянието, което светлината изминава във вакуум за една 299 792 458-на от секундата. Продължителността на секундата е закрепена към циклите на лъчение на елемента цезий.
Скоростта на светлината, поведението на атомите, природата на електромагнетизма са фундаментални характеристики на природата, които не се променят независимо дали наблюдателят се намира на Земята, или на Марс, или годината е 1875, или 2018.
Прототипът на килограма - т.нар. Le Grand K - обаче е произведен от човешка ръка и е уязвим на всички ограничения, свързани с изкуствено създадените предмети. На първо място - недостъпен е. Сейфът с цилиндъра може да се отвори само от трима попечители, които носят три различни ключа. Подобно събитие се е случвало едва десетина пъти в рамките на 139-годишната история на килограма.
Второ - Le Grand K е неустойчив.
През 80-те години цилиндърът е подложен на допълнителни изследвания, които установяват, че той тежи с няколко микрограма по-малко, отколкото би трябвало. Това означава, че всички, които произвеждат продукти по този стандарт, трябва да преоразмерят мерките си. Производителите се вбесяват, политиците са призовани да се намесят. Метролозите, които изследват измервателните системи, са обвинени в некомпетентност.
През 2014 г. BIPM събира отново изследователската общност със задачата да измислят нова дефиниция за килограма. По това време обаче стойността на константата на Планк все още е неясна. А без нея учените нямат въможност да създадат новото определение.
Минали са повече от 100 години, откакто квантовият физик Макс Планк открива, че енергията се изразява в дискретни единици - т.е. "квантувана е". Константата му, т.е. единицата, която описва размера на енергийните пакети, обаче е твърде трудна за изчисление.
Има само два експериментални модела, които могат да позволят калкулиране на тази стойност, а и двата изискват твърде сложни и скъпи инструменти.
Първата техника предполага изброяване на всички атоми в перфектна сфера от силиций. Втората опция използва съвършено точна машина за претегляне, която измерва масата на един обект, като изчислява силата, нужна за повдигането му. В продължение на няколко десетилетия двама британски учени разработват и настройват този инструмент, за да може да се използва за научни цели. Има само две подобни машини в света, които са достатъчно мощни, за да отговорят на високите стандарти на BIPM за точност.
Единият се намира в Канада, а другият - в лабораторият на Националния институт за стандарти и технологии в Гейтърсбърг, щата Мериленд. Огромната метална машина ползва магнит, тежащ един тон. Когато се провеждат експерименти с нея, цялият инструмент се поставя във вакуумна камера. Всички външни фактори с потенциално влияние - от стайната температура до силата на земното притегляне - се вземат предвид при изчисляването на крайния перфектен резултат.
Решението от 2014 г. изисква поне един инструмент за изчисляването на константата на Планк при неопределеност от 20 на един милиард - 0,000002 процента от предполагаемия верен отговор.
На 30 юни 2017 г. - ден преди крайния срок за предаване на резултата пред комисията в BIPM, американският екип публикува данни, които отговарят на стандарта. Неопределеността е 13/1 000 000 000.
Това число е почти неразбираемо за нормалния наблюдател, но за учените той е момент на епохално разкритие за механизмите на вселената. Откритието е толкова точно, че отговаря на мисията "за всички времена и за всички хора" - поне докато някой ден изследователите не успеят да открият нов тип инструментариум, който да елиминира още една нула от неопределеността на изчислението.
Още няколко екипа работят по същия проект, но извън САЩ. Учени ползват машината в Канада, за да постигнат резултат с по-ниска степен на неопределеност от тази в Националния институт за стандарти и технологии. В Германия и Япония екипите достигат почти толкова прецизни измервания чрез техниката със силициевата сфера. Но не всички измервания си съвпадат, а несъответствията могат да имат катастрофални последици. Споровете в научната общност продължават толкова дълго, че се появяват съмнения дали изобщо ще се стигне до единно решение.
Все пак дебатът има и позитивна функция в процеса. Само чрез постоянно наблюдение, оспорване и потвърждение една идея може да се превърне във факт, неоспорим от никого. Науката е по-голяма от всеки отделен учен. Тя е системата, по която може да се установи дали нещо е вярно или не.
"От 19 век насам учените използваха един физически обект, за да определят фундаменталната мерна единица за маса - той представлява блестящ цилиндър..." Не съвсем... даже хич не е така. Десетилетия преди конвенцията прочутият Гаус предлага системата ММС (милиметър-милиграм-секунда). И известно време това пак били фундаментални мерки. Но не били много удобни за всякакви научни цели, затова малко преди тази конвенция британците я преработват в системата СГС (сантиметър-грам-секунда) сега известна като Гаусова. И тя била фундаментална, и тя не била най-удобната, обаче учените масово работели с нея чак до средата на 20 век, когато сред тях официално влиза системата МКС (метър-килограм-секунда) - 80 години след конвенцията. Но доколкото знам СГС и днес продължава да се ползва в някои клонове на физиката. * * * "Подписването на т.нар. Конвенция за метъра от 1875 г. официализира системата за мерните единици." И това не е така. Едно, че учените от десетилетия вече са работели с метрични мерки и без да имат блестящ цилиндър. И второ, допреди конвенцията метри и килограми вече се ползват в около 20 държави - голяма част от Европа и Латинска Америка. Така че целта на конвенцията е просто да създаде орган, който да подмени съществуващите еталони с по-точни, и да изработи механизми за по-удобно сътрудничество. Даже новите еталони стават готови чак след 14 години. Всъщност системата е официализирана през 1870, когато е създадена тогавашната Международна метрична комисия. А през 1875 подписването на конвенцията не успява да напредне в официализирането. Подписват само 17 държави, макар да е заявен интерес от над 25. Холандия, Чили, Мексико отдавна ползват метричната система, но не идват за конгреса. И обратно - страни, които идват и подписват, дълго време не я въвеждат. Например от подписалите: Дания приема системата чак през 1907, Венецуела през 1914 (макар да я ползва още от 1857), Русия през 1918, а САЩ подписват, приемат си копията на еталоните за килограм, ползват ги, но за ежедневието приемат метричната система цели 100 години по-късно - едва през 1975. И то отчасти. Хората още ползват техните си мерки, базирани на британската имперска система. Влиятелната тогава Британска империя също си партнира с комисията още от 1884, но започва да я въвежда едва през 1965... и още не я е въвела напълно. * * * " Създадени са два прототипа... лост с дължина 1 метър... и цилиндър..." Не, "лостът" е малко по-дълъг с нанесени означения за дължината от 1 метър. А за килограма създават три еднакви цилиндъра, от които един е определен за еталон. И още 40 копия (по две за държавите подписали конвенцията плюс 6 за Франция). После още цилиндри за да имат 6 контроли на оригинала, които също се вадят рядко. А за периодичните сравнения на десетките национални еталони от различните държави се ползваха две от първите шест френски копия, които се калибрират спрямо трето от тях, което пък се калибрира спрямо някое от шестте контроли, които пък се калибрират спрямо оригинала. Така че учените са използвали бая обекти, а не един. Затова чак в края на 80-те са разбрали, че има разлика с масата на оригинала - защото за последно са го вадили през 40-те. * * * "... който се пази под ключ в Международното бюро за мерки и теглилки (BIPM) в Севър, Франция." Не, пази се в Сен-Клу. Само служебният адрес на бюрото е в Севр. * * * "... фундаменталната мерна единица за маса..." "Един килограм се равнява на теглото на това парче метал... цилиндър с тегло 1 кг..." Не, не се равнява на теглото, а на масата му, както правилно сте написали в началото. Тегло и маса са различни неща, затова дефиницията е: "The kilogram is the unit of mass; it is equal to the mass of the international prototype of the kilogram." * * * "През 2014 г... По това време обаче стойността на константата на Планк все още е неясна." Е, щом е била неясна, то как са я ползвали учените толкова време? Константата на Планк е измерена още преди 100 години и получената мярка е била достатъчно точна за научните проверки на тогавашната физика. Оттогава насам е измерена много пъти с все по-точни инструменти (днес даже и студентите могат да мерят редуцираната и стойност). Въпросът през 2014-а беше да се измери още по-точно, за да стигне достатъчно дълго време за нуждите на сегашната наука и индустрия.