世界はちょうどキログラムを再定義しました

Probéiert Eisen Instrument Fir Probleemer Ze Eliminéieren

それは複雑な科学と美しく単純な哲学を含みます。

キブル天秤は、キログラムの再定義を可能にする機械です。

メリーランド州ゲーサーズバーグの地下40フィートにある明るい白い実験室には、3つの別々の鍵を入れる必要があります。米国には、この国のすべての質量を文字通り定義する、小さくて光沢のある金属製シリンダーの貴重なコレクションが保管されています。

それらは美しく、鏡面仕上げであり、私はそれらに触れたいという衝動に抵抗しなければなりません。触ると、皮膚の油分で汚染され、体重が増える可能性があります。ここ国立標準技術研究所(NIST)のキログラムの管理者であるPatrick Abbottは、これは非常に悪いことだと私に言います。

現在、キログラムの定義は非常に単純です。これは、フランスのセーヴルにある国際度量衡局に収容されているプラ​​チナイリジウム合金の塊の塊です。 1889年以来 。これは国際キログラム原器(別名Big K、またはLe Grand K)と呼ばれます ゲーサーズバーグのNISTにある7つを含め、世界中に多くのコピーがあります。 - はかりを校正し、全世界が1つの測定システム上にあることを確認するために使用されます。

これは、19世紀にBigKが作成されたのと同じ金属片から鍛造されたK4と呼ばれるNISTのコピーの1つです。

NISTでは、PatrickAbbottがキログラムの管理者です。

これは、同じプラチナイリジウム合金から鍛造された国際キログラム原器のコピーであるK4です。

それをよく見てください。間もなく、この129年前のキログラムの基準が変更されるためです。

金曜日に、世界中の科学者がフランスのベルサイユで開催された国際度量衡総会に集まりました。 キログラムの定義を変更することに投票しました 、自然界の普遍的な定数にそれを結び付けます。変更は2019年5月20日に有効になります。

変更の重要な理由の1つは、BigKが一定ではないことです。それ 周りを失った 50マイクログラム (まつげの質量について)作成されてから。しかし、苛立たしいことに、Big Kが質量を失っても、現在の定義によれば、それでも正確に1キログラムです。

Big Kが変更されると、他のすべてを調整する必要があります。さらに悪いことに、Big Kが盗まれた場合、私たちの世界の質量測定システムは混乱に陥ります。

金曜日の投票で、世界のトップ測定科学者は、キログラムをプランク定数に付加することを選択しました。これは、地球上または宇宙の奥深くで、決して変わることのない量子力学の基本概念です。

これは科学的な勝利以上のものです。何年にもわたって再定義に取り組んできたNISTの科学者から学び、この瞬間を彼らのキャリア全体の中で最もエキサイティングな時期と呼んでいるので、これも哲学的なものです。

新しい定義により、ウェイトとメジャーに関する総会は、フランス革命の中で受け入れられたメートル法の当初の夢を完成させます。国際単位系(SI)に進化したメートル法は、すべての人がいつでも使用できるように設計されています。

再定義に関与したNISTの科学者であるStephanSchlammingerは、オブジェクトは常に変化すると言います。新しい定義では、私たちは地球上の物体から天国にあるものに移行すると彼は言います。

そして、それは祝う価値のあるものです。すべてが常に流動的であるように見える世界で、これらの科学者は今、キログラムが決して変わらないことを確認しました。

キログラムの簡単な歴史

何かの重さをどうやって知るのですか?私は知っています、明白な答えがあります:あなたはそれをスケールに置きます。

しかし、食料品店に行ってリンゴの束の重さを量るとき、その体重計は1ポンドの果物がどのように感じられるかをどのように知るのでしょうか。

質量測定が意味をなすためには、固定された比較点が必要です。それらのリンゴの重さは多かれ少なかれ必要です なにか。 混沌を避け、私たちの経済が機能することを可能にするために、その何かは普遍的に認識されなければなりません。

食料品店の体重計は、おもりで校正されたおもりで校正されたおもりで調整されました。そして、これらのすべてのキャリブレーションは、NISTの腸の中でここにさかのぼります。一貫した重量と測定は食料品以上のものにとって重要です。ボーイングが飛行機の重量を正確に把握できなかった場合、または製薬業界が少量の、潜在的に致命的な薬の正確な質量を決定できなかった場合を想像してみてください。

ペルーのトルヒーヨにあるこの体重計は、オンス、ポンド、グラム、およびキログラムで単位を測定します。

レオンニール/ゲッティイメージズ

米国では、ポンドとオンスのインペリアル単位を使用しています。しかし実際には、すべての測定値は、長さと質量の基本単位としてメートルとキログラムを使用する国際単位系(SI)から導出されます。

米国での質量に関しては、すべてがこれらのパック型のシリンダーにまでさかのぼります。これらのシリンダーは、1キログラムの重さになるように正確に機械加工されています。公式には、米国では1ポンド と定義されている 0.45359237キログラム。足は0.3048メートルと定義されています。

しかし、システムは必ずしも整然としたものではありませんでした。フランス革命とメートル法の発明以前は、世界中の重量と測定のシステムは混沌とした、手に負えない混乱でした。

旅行するたびに、通貨の場合と同様に、測定にさまざまな変換を使用する必要がある世界を想像してみてください。BBCのMadhviRamaniです。 説明します 。これは18世紀後半のフランス革命以前のケースであり、ウェイトとメジャーは国ごとだけでなく、国内でも異なりました。

フランス革命は、封建時代から残された古くて古風で混沌とした階層を倒し、平等主義の校長を念頭に置いて社会を再構築することでした。

革命に触発されて、当時の科学者たちは、王からの恣意的な命令ではなく、自然に基づいて、新しい一貫した測定システムを新たに始めたいと考えていました。目標は、すべての人のために、常に測定システムを作成することでした。

したがって、1800年代後半に国際度量衡局がフランスに設立されたとき、メートル(長さの標準単位)は、北極から赤道までの距離の1,000万分の1になるように作成されました。グラムは水の密度からインスピレーションを得ています。これは、4°Cで保持されている1立方センチメートルの水の質量にほぼ等しくなります。

これらの新しい単位を広めるために、つまり世界中の誰もがそれらを理解できるようにするために、メートル法の発明者は、それらを具体化して定義するための物理オブジェクトを作成することにしました。彼らは正確に1メートルの長さの金属棒を作りました。彼らは、1キログラムまたは1,000グラムの質量を表すBigKを作成しました。

19世紀以降、古いメートル法のすべての物理的遺物は、一定の自然の力に固定された測定値に置き換えられました。メーターは元々、地球のサイズの割合として定義されていました。しかし、世界の形でさえ永続的ではありません。ヘック、 地球は恒久的ではないかもしれません 。したがって、今日、メーターは光速によって定義されています。 2つ目は、元素セシウムの原子の動きに付加されます。

今のところ、キログラムだけがまだ物理オブジェクトによって定義されています。

では、このキログラムの新しい定義は何ですか?少しおかしなことなので、準備してください。

プランク定数の観点からキログラムを再定義する科学は、説明しました

国際度量衡総会での金曜日の投票は満場一致で可決されました。ただし、変更は有効になりません それまで 2019年5月。変更が発生すると、国際単位系でキログラムがどのように定義されるかを次に示します。

キログラム、記号kgは、SIの質量単位です。プランク定数hの固定数値を6.62607015×10とすることで定義されます。-3。4単位Jsで表される場合、これはkgmに等しい2NS-1、ここで、メーターと秒はcと∆νCsで定義されます。

一体何?

フランスの金属の塊よりも説明するのははるかに難しいです。しかし、試してみましょう。

基本的に、国際度量衡総会では、プランク定数の値を修正します。プランク定数は、物質の最も小さなビットが個別のステップまたはチャンク(量子と呼ばれる)でエネルギーを放出する方法を説明します。

金曜日の投票により、プランク定数は現在および永久に6.62607015×10に設定されます。-3。4NS2kg /秒。そして、プランク定数のこの固定値から、科学者はキログラムの質量を導き出すことができます。

プランク定数は小さく(小数点で始まり、33個のゼロが続く)、誤差のごくわずかなマージンまで計算する必要があったため、この再定義の作業には数十年かかりました。この作業には、キブル天秤と呼ばれる非常に複雑な機械(詳細は以下)を使用した注意深い測定と、非常に複雑な観測が必要でした。 シリコンの丸い球

その説明は奇妙に思えるかもしれません。そしてそうです。しかし、それをよりよく理解するには、これが必要な理由の例として、光速の観点からメーター(世界の標準的な長さの単位)がどのように再定義されたかを確認することが役立ちます。

メーターは元々、フランスの国際度量衡局で棒の長さとして定義されていました。 (当時は 再定義 放射の特定の波長に等しくなるように。)繰り返しますが、この定義の問題はその不正確さでした。それは宇宙の不変の特性に基づいていませんでした。

一方、光速は毎秒299,792,458メートルです。あなたがどこにいても、科学者は信じています、それは同じままです。 (少なくとも、それが変化した場合、それは私たちが物理学について知っているほとんどすべてを覆すでしょう。)

1983年までに 、物理学者は光速の測定が本当に上手になりました。そこで彼らはそれを使ってメーターの長さを永久に固定し、それを永続的にしました。方法は次のとおりです。彼らは、光が真空中で1 / 299,792,458秒で移動する距離に等しくなるようにメーターを再定義しました。基本的に、メーターの定義は光速の定義に組み込まれています。

これには詩があります。科学者はメーター(人間が発明した任意の長さの測定値)を取り、それを普遍的な定数に固定しました。私たちの乱雑な人間の測定は、彼らの乱雑な人間性を超越しました。彼らは永遠の真理と融合してきました。

新しい、光で定義されたメーターは、パリの古いメーター標準と同じ長さです。しかし、パリの古い基準とは異なり、メーターの定義は決して変わることはありません。

プランク定数でも同じことが起こっています。光速のように、プランク定数は決して変わらない普遍的な真実です。

プランク定数の最終値を設定することにより(光速の単位にメートルが含まれるのと同じように、単位にキログラムが含まれる)、キログラムのサイズは永遠に安定します。また、次のように考えることもできます。キログラムはプランク定数に固定されており、永久に静止します。

(おそらく、よく読んでいると、ここに鶏が先か卵が先かという問題があることに気づいたでしょう。光速を測定する場合、光速の観点からメーターをどのように定義しようとしますか。単位メーターも含まれていますか?プランク定数の場合も同じです。単位にキログラムが含まれています。簡単な答え:これが、これらの問題に取り組んでいる人々が博士号を取得している理由です。)

キブル天秤はこれをすべて可能にする機械です

プランクの観点からキログラムを再定義することは非常に大きな課題であり、完了するまでに数十年かかりました。

一つには、科学者はプランク定数を非常に正確に測定できなければなりませんでした。光速の推定値に大きな誤差がある場合、メーターを測定するための信頼できるアンカーにはなりません。 Planckについても同じことが言えます。

何十年もの間、NISTの科学者、および世界中の他のいくつかの研究所は、プランク定数を十分に注意深く測定するために、キブル天秤(ワット天秤と呼ばれることもあります)と呼ばれる機械を使用してきました。キログラムを再定義するために使用できます。

キログラム基準と同様に、Kibble天秤はNISTの地下深くに収容されています。コンクリートの床に建てられており、文字通り建物の基礎の上に浮かぶことができるため、敏感な機器を施設の他の部分からの振動からより適切に隔離できます。少しの破片がキャリブレーションから外れる可能性があるため、髪と靴の上にプラスチックのネットをかぶって見に行く必要があります。

ビクトリア朝の人々がタイムマシンを作り、それを醸造所に駐車していたとしたら、それは次のようになると思います。

キブル天秤は、機械的な力と電気的な力を同一視する、非常に複雑で美しい機械です。

キブル天秤は、単純な物質収支のように機能します。 1つを想像してください 正義の女神 彼女の手に持っている:それは中心点でバランスをとる2つの鍋を持っています。単純な天びんは、各鍋の2つの重りを比較し、それらを等しくすることを目的としています。

故発明者である英国の物理学者ブライアン・キブルにちなんで名付けられたキブル天秤は、似たようなことをしますが、量子力学的ねじれがあります。これは、物体の質量によって加えられる機械的エネルギーを同等の量の電気エネルギーと同等にします。

質量と電力を等しくするためにキブル天秤がもたらす式は複雑です。 (NISTの科学者は、説明のために以下に示すホワイトボードに私を連れてきました。)

これがキブル天秤の仕組みです。

重要なのは、その方程式の中で、質量、速度、引力、磁気、電気など、関係するすべての変数の中にプランク定数があるということです。そして、この機械を使用して、科学者はプランクを解決することができました。アルバートアインシュタインが彼の最も有名な方程式E = mcで教えてくれたので、数学はうまくいきます2、質量とエネルギーは本質的に同じものの異なる表現です。

プランク定数が定義された今、キブル天秤は何をしているのでしょうか。

それは、プランク定数の観点からキログラムの質量を知っているため、フランスでのBigKの必要性に取って代わります。そして、それは正確な測定であり、キログラムが依然としてキログラムであることを確認する方法であり、オブジェクトの重量を測定し、新しい標準に従ってそれらの質量を決定するために使用できます。

現在、[Big K]の安定性に関する品質保証は、合意に基づいているとアボット氏は言います。変わらないと言っています。キブル天秤の品質保証は、全世界で厳密に測定された自然の定数に基づいていることです。変わらないことを私たちは知っています。それは世界のすべての違いです。

ウェイトとメジャーの民主化が進行中です

まだ私と一緒に?

すべてをざっと見てみると、この変更の概要は次のとおりです。キログラムを教えてくれる政府(米国、フランス、誰でも)や国際的な統治機関はもう必要ありません。それは宇宙の基本的な真実であり、それを実現するための適切な機器を持っている人なら誰でも利用できます。

理論的には、誰でもキブル天秤を作ることができます。 (途中で小型化されたものがあると言われています。)彼らはこの実験を構築でき、必要な質量、材料を測定でき、天秤に置くだけで、絶対質量の値を取得できます。プランク定数の条件で、NISTでキブルバランス実験を実行しているDarine ElHaddadは言います。キブル天秤は、彼女が言う絶対的な測定を可能にします。

将来的には、製造業は校正のために重量とスケールをNISTに送信する必要がなくなります。彼らは工場の床にキブル天秤を置くことができました。その観点から、新しい定義はより民主的です。つまり、世界中で自由に使用でき、フランスの事件に閉じ込められたままになることはありません。

ただし、この変更にはいくつかの大きな欠点があります。人々はメートル法さえ理解していません、とアボットは言います。キブル天秤をどのように説明しますか?定義の複雑さは、科学について学びたい人々にとってはオフになるかもしれません。小学生は金属の塊が1キログラムの重さであることを理解できますが、量子力学は?

Schlammingerは、新しい定義は技術的にはより複雑で、哲学的にはより単純であると主張しています。キログラムは、人間の策略ではなく、宇宙の基本的な物理学によってまもなく定義されます。

シュラミンガーは、プランク定数の数字と並んで、常に、すべての人々のために、彼の腕に入れ墨されたメートル法の創設の言葉を持っています。それが彼が理想をどれほど強く信じているかです。彼はこの作品をフランス革命から始まった弧を完成させるものと見ています。そして、それは完了です。金曜日の投票で、キログラムは今や永遠に、いつでも、そしてすべての人々にとってです。

ステファンシュラミンガーのプランク定数の入れ墨の後には、メートル法の創設のモットーが続きます。それは、常に、すべての人々のためです。