Chiuso in una volta che richiede l'apertura di tre chiavi, nella città di Sèvres, a sud-ovest di Parigi, c'è un chilogrammo. In realtà, è Il chilogrammo, il prototipo internazionale del chilogrammo (IPK), il chilogrammo contro il quale tutti gli altri chilogrammi devono prendere la loro misura, Le Grand K. Questo cilindro in lega di platino-iridio si trova sotto tre campane di vetro protettivo, in un ambiente controllato da temperatura e umidità, in una cassaforte insieme a sei copie ufficiali, nella volta sotterranea di Sèvres.
"Se lo abbandonassi, sarebbe comunque un chilogrammo, ma la massa di tutto il mondo cambierebbe", afferma Stephan Schlamminger, fisico del National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, nel Maryland.
L'IPK emerge dalla sua volta solo ogni 40 anni circa, quando il lingotto delle dimensioni di una pallina da golf, esattamente un chilogrammo per definizione dal 1889, viene utilizzato per calibrare le copie condivise con i paesi di tutto il mondo. Ma c'è un problema. Nel caveau con l'IPK ci sono sei témoin, o "testimoni", le copie ufficiali. Nel corso degli anni, come dimostrato dalle rare occasioni in cui Le Grand K e i suoi testimoni sono stati misurati, la massa dell'IPK si è "spostata".
Il prototipo internazionale del chilogrammo (IPK). (Fotografia per gentile concessione del BIPM) La maggior parte dei testimoni ora pesa leggermente di più - una questione di microgrammi, o milionesimi di grammo - rispetto all'IPK (anche se molte delle copie erano più massicce all'inizio). Potresti dire che l'IPK sta perdendo massa, solo tu non puoi dirlo, perché l'IPK è immutabilmente e senza sosta di un chilogrammo . Inoltre, i fisici non sanno nemmeno se l'IPK sta perdendo massa o guadagnando massa nel lungo periodo, solo che sta lentamente andando alla deriva a causa di quantità impercettibili di materiale aggregato dall'aria, o sfregato durante una pesatura o macchiato sul superficie argentata dell'IPK durante uno dei suoi bagni meticolosi.
Come puoi immaginare, questo minuto alla deriva provoca molti mal di testa agli scienziati, per non parlare delle industrie che si basano su misurazioni di massa piccole e precise, come le aziende farmaceutiche.
"Al momento, il chilogrammo è definito in termini di massa di una cosa particolare", afferma Ian Robinson del National Physical Laboratory (NPL) a South London. "E se quella cosa viene distrutta o modificata o qualsiasi altra cosa, è imbarazzante."
Una delle copie del NIST in platino-iridio dell'IPK, la K92, con masse di chilogrammi in acciaio inossidabile sullo sfondo. (Jennifer Lauren Lee / NIST) Fortunatamente, i metrologi del mondo hanno una soluzione: ridefinire il chilogrammo in termini di costante naturale e universale. La maggior parte delle unità dell'International System of Units (SI) sono già definite in base a costanti universali, come il metro, che è ufficialmente la lunghezza percorsa alla velocità della luce nel vuoto in 1 / 299.792.458 ° di secondo. Naturalmente, questa definizione si basa sul secondo, che è definito come la durata di 9.192.631.770 periodi di una frequenza specifica di radiazione elettromagnetica (microonde in questo caso) che provoca la transizione dell'elettrone esterno di un atomo di cesio 133 (passaggio da un quanto misurazione di "spin up" per "spin down" o viceversa).
Ma il chilogrammo, l'ultima unità rimasta definita da un artefatto, ha resistito ostinatamente alla ridefinizione, fino ad ora. Il 16 novembre, alla 26a riunione della Conferenza generale su pesi e misure, i delegati di 60 Stati membri si riuniranno a Sèvres per votare per ridefinire il chilogrammo secondo la costante di Planck, un numero che collega la frequenza di un'onda di luce al energia di un fotone in quell'onda. E secondo Richard Davis, un fisico dell'International Bureau of Weights and Measures (BIPM), "si aspettano una maggioranza sostanziale".
(AGGIORNAMENTO: il 20 maggio 2019 sono entrati ufficialmente in vigore le modifiche al Sistema internazionale di unità, tra cui nuove definizioni per chilogrammo, ampere, kelvin e talpa.)
Max Planck e Albert Einstein
Nel 1879, l'IPK fu lanciato dalla società di metalli preziosi Johnson Matthey a Londra, un 20enne Max Planck difese la sua tesi sulla seconda legge della termodinamica e nacque Albert Einstein. Sebbene i due scienziati non lo sapessero nel corso delle loro vite, il loro lavoro collettivo sulla fisica fondamentale della gravità e la meccanica quantistica sarebbe venuto a gettare le basi per una definizione del chilogrammo del 21 ° secolo.
Quindi qual è la costante di Planck? "A un livello fondamentale, è difficile da dire", dice Davis.
La costante di Planck è un numero molto piccolo: 6, 62607015 x 10 -34, per l'esattezza, come sarà definito ufficialmente nella riunione del 16 novembre. Nel 1900, Max Planck calcolò il numero per adattarsi ai modelli di luce proveniente dalle stelle, abbinando l'energia e la temperatura delle stelle ai loro spettri di radiazione elettromagnetica (collettivamente noti come radiazioni di corpo nero). All'epoca, i dati sperimentali suggerivano che l'energia non scorre liberamente a qualsiasi valore, ma piuttosto contenuta in fasci o quanti - da cui la meccanica quantistica prende il nome - e Planck doveva calcolare un valore per questi fasci per adattarsi ai suoi modelli di radiazione del corpo nero.
Cinque premi Nobel, da sinistra a destra: Walther Nerst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Millikan e Max von Laue, riuniti per una cena ospitata da von Laue nel 1931. (Dominio pubblico) Cinque anni dopo, Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività speciale, che sarebbe stata espressa come la famosa equazione E = mc 2 (l'energia è uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato, un'epifania che l'energia è fondamentalmente legata in tutto il materia dell'universo). Ha anche calcolato il valore teorico di un singolo, fondamentale quanto di energia elettromagnetica - ora noto come un fotone - che ha portato alla relazione di Planck-Einstein, E = h v . L'equazione afferma che l'energia di un fotone (E) è uguale alla costante di Planck (h) per la frequenza della radiazione elettromagnetica ( v, che è il simbolo greco nu anziché una "v").
“Sai di avere l'energia di un fotone, che è h v, ma sai anche di avere l'energia di una massa, che è mc 2 . [So], E = h v = mc 2 . Proprio lì puoi vedere come puoi ottenere una massa da h [costante di Planck], v [la frequenza dell'onda] ec [velocità della luce] ”, afferma David Newell, fisico del NIST.
Ma questo non è l'unico posto in cui si manifesta la costante di Planck. Il numero è necessario per descrivere l'effetto fotoelettrico su cui si basano le celle solari. È anche usato nel modello dell'atomo di Niels Bohr e appare persino nel principio di incertezza di Heisenberg.
"È come dire, beh, che mi dici di Pi?" Dice Davis. “Cos'è Pi? Bene, è la circonferenza del cerchio divisa per il diametro del cerchio. Ma poi Pi si presenta ovunque in matematica. È dappertutto. "
La chiave che collega la costante di Planck al chilogrammo è la sua unità, il joule-secondo o J · s. La costante ottiene questa unità unica perché l'energia viene misurata in joule e la frequenza viene misurata in Hertz (Hz) o cicli al secondo. Un joule equivale a un chilogrammo moltiplicato per metri quadrati divisi per secondi quadrati (kg · m 2 / s 2 ), quindi con alcune misurazioni e calcoli intelligenti, si può arrivare al chilogrammo.
Ma prima che tu possa convincere il mondo a cambiare la definizione dell'unità standard di massa, le tue misurazioni dovrebbero essere le migliori mai prese nella storia della scienza. E come dice Newell, "misurare qualcosa di assoluto è dannatamente difficile".
Misura per misura
Spesso diamo per scontato che un secondo è un secondo o un metro al metro. Ma per la maggior parte della storia umana, tali misure di tempo, lunghezza e massa erano piuttosto arbitrarie, definite in base ai capricci delle usanze o dei sovrani locali. Uno dei primi decreti secondo cui le misure nazionali devono essere standardizzate proveniva dalla Magna Carta del 1215, in cui si afferma:
"Che ci sia una misura per il vino in tutto il nostro regno, e una misura per la birra inglese, e una misura per il mais, vale a dire" il quartiere di Londra "; e una larghezza per i tessuti colorati, ruggine o alabarda, vale a dire due ells all'interno delle cimosse. Lascia che sia lo stesso con i pesi che con le misure. "
Ma in seguito all'Illuminismo, quando gli scienziati hanno iniziato a districare i vincoli fisici dell'universo, è diventato evidente che vari standard di misura rappresentavano un terribile impedimento per il progresso della specie. Gli scienziati si diffusero in tutto il mondo nel XVIII e XIX secolo, misurando qualsiasi cosa, dalla forma precisa della Terra alla distanza dal sole, e ogni volta una lachter tedesca (circa due metri, a seconda della regione) doveva essere paragonata a un inglese cantiere (che variava anche per la maggior parte della sua esistenza), abbondavano incertezze e cattive comunicazioni.
Una copia del primo metro standard, sigillata nella fondazione di un edificio in 36 rue de Vaugirard, Parigi. (Ken Eckert / Wikimedia Commons CC 4.0) Alla fine i francesi hanno avuto una rivoluzione, non solo di politica, ma anche di misure. Mentre il XVIII secolo volgeva al termine, si stima che il Regno di Francia avesse avuto un quarto di milione di unità variabili, rendendo impossibile tenerne traccia tutte. Sollecitata dall'Assemblea costituente nazionale, che si formò all'inizio della Rivoluzione francese, l'Accademia delle scienze francese iniziò a stabilire una nuova unità di lunghezza che sarebbe diventata la misura ufficiale per il paese: il metro, definito come un decimilionesimo della distanza dal Polo Nord all'Equatore.
Una spedizione di rilevamento guidata da matematici e astronomi francesi Jean Baptiste Joseph Delambre e Pierre Méchain ha triangolato la distanza di una parte di quella lunghezza, che si estende da Dunkerque a Barcellona, al fine di calcolare il nuovo metro. Le misurazioni dell'indagine furono completate nel 1798 e il nuovo standard fu presto adottato in Francia.
Il metro arrivò a rappresentare un'unità di misura fondamentale, definendo il litro (1.000 centimetri cubici) e persino il chilogrammo (la massa di un litro di acqua). Nel 1875, il mondo era pronto ad adottare il sistema metrico e la Convenzione del Metro di quell'anno vide i rappresentanti di 17 nazioni firmare il Trattato del Metro, creando l'Ufficio internazionale di pesi e misure e prevedendo nuovi standard di massa e lunghezza da fuso in lega platino-iridio, che definisce il metro e il chilogrammo per il mondo.
Ma quando un'ondata di scienziati del 20 ° secolo come Planck ed Einstein iniziarono a colpire e stimolare la struttura della fisica newtoniana, scoprendo nuove leggi tra la vastità del cosmo e i fondamenti dell'atomo, il sistema di misura doveva essere aggiornato di conseguenza . Nel 1960 venne pubblicato l'International System of Units (SI) e paesi di tutto il mondo istituirono istituzioni metrologiche per affinare continuamente le definizioni ufficiali delle nostre sette unità di misura di base: metro (lunghezza), chilogrammo (massa), secondo (tempo ), ampere (corrente elettrica), kelvin (temperatura), mole (quantità di sostanza) e candela (luminosità).
Una sfera di Avogadro di atomi di silicio puro-28. Misurando il volume della sfera e il volume di un singolo atomo di silicio-28, i meteorologi possono misurare la massa di un singolo atomo nella sfera, fornendo un metodo per calcolare il numero di atomi in una talpa, chiamato il numero di Avogadro, che può essere usato per calcolare la costante di Planck. (Fotografia per gentile concessione del BIPM) Da queste unità base, è possibile calcolare tutte le altre unità. La velocità è misurata in metri al secondo che può essere convertita in mph e altre velocità; il volt viene misurato in termini di ampere di corrente e resistenza in ohm; e la definizione del cantiere è ora proporzionale a 0, 9144 di un metro.
Oggi, come nel corso del XVIII secolo, la questione del perfezionamento di tali misurazioni è in prima linea nelle capacità scientifiche. Sebbene sia improbabile che la ridefinizione del chilogrammo cambi la tua vita quotidiana, gli effetti finali della definizione di un sistema di misura più accurato sono spesso diffusi e profondi.
Prendi, ad esempio, il secondo. Dal 1967, la definizione di un secondo si basa sulla frequenza di un laser a microonde e senza questa precisione la tecnologia GPS sarebbe impossibile. Ogni satellite GPS porta un orologio atomico, fondamentale per correggere il fatto che il tempo passa infinitesimalmente ma misurabilmente più lento sui nostri satelliti mentre orbitano attorno alla Terra ad alta velocità, un effetto previsto dalla teoria della relatività di Einstein. Senza la nuova definizione, non potremmo correggere queste minuscole frazioni di secondo e, man mano che crescevano, le misurazioni GPS sarebbero andate sempre più lontano, facendo di tutto, da Google Maps alle munizioni guidate dal GPS, nient'altro che fantascienza.
La relazione tra il secondo e il GPS rivela il fondamentale intreccio tra metrologia e scienza: l'avanzamento della ricerca richiede e consente nuovi standard di misura, e questi nuovi standard di misura a loro volta consentono ricerche più avanzate. Dove alla fine questo ciclo porterà la nostra specie non è noto, ma dopo la morte della barra del metro e l'abbandono della seconda definita da una frazione di giorno, una cosa è chiara: l'IPK è vicino alla ghigliottina.
The Kibble Balance
La bilancia NIST-4 Kibble, gestita dal National Institute of Standards and Technology. A differenza delle precedenti bilance Kibble, il NIST-4 utilizza un bilanciere che funziona come una puleggia piuttosto che una trave. Il saldo ha misurato la costante di Planck con un'incertezza di 13 parti per miliardo. (Jennifer Lauren Lee / NIST) I fisici hanno saputo per decenni che il chilogrammo poteva essere definito in termini della costante di Planck, ma non è stato fino a poco tempo fa che la metrologia è progredita abbastanza da misurare il numero con tale precisione che il mondo avrebbe accettato una nuova definizione. Entro il 2005, un gruppo di scienziati della NIST, della NPL e del BIPM, che Newell chiama "la banda di cinque", ha iniziato a spingere la questione. Il loro articolo sull'argomento è intitolato Ridefinizione del chilogrammo: una decisione il cui tempo è giunto .
"Lo considero una pietra miliare", afferma Newell. "È stato molto provocatorio, ha infastidito le persone."
Una delle tecnologie chiave per misurare la costante di Planck identificata nel documento è una bilancia in watt, concettualizzata per la prima volta da Bryan Kibble alla NPL nel 1975. (Dopo la sua morte nel 2016, la bilancia in watt è stata ribattezzata bilancia in kibble in onore di Bryan Kibble).
Il bilancio di Kibble è, a un livello fondamentale, l'evoluzione di una tecnologia che risale a più di 4000 anni fa: la bilancia. Ma invece di pesare un oggetto contro un altro per confrontare i due, una bilancia di Kibble consente ai fisici di pesare una massa rispetto alla quantità di forza elettromagnetica richiesta per sostenerlo.
"La bilancia funziona facendo passare una corrente attraverso una bobina in un forte campo magnetico e questo genera una forza, e puoi usare quella forza per bilanciare il peso di una massa", afferma Ian Robinson di NPL, che ha lavorato con Bryan Kibble su i primi watt si bilanciano dal 1976 in poi.
La bilancia funziona in due modi. La prima, la modalità di pesatura o di forza, bilancia una massa con una forza elettromagnetica uguale. La seconda modalità, velocità o modalità di calibrazione, utilizza un motore per spostare la bobina tra i magneti mentre la massa non è sulla bilancia, generando una tensione elettrica che ti dà la forza del campo magnetico espressa come misura della forza elettrica. Di conseguenza, la forza della massa in modalità di pesatura è uguale alla forza elettrica generata in modalità velocità.
La forza elettrica può quindi essere calcolata in funzione della costante di Planck grazie al lavoro di due fisici vincitori del Nobel, Brian Josephson e Klaus von Klitzing. Nel 1962 Josephson descrisse un effetto elettrico quantistico correlato alla tensione e von Klitzing rivelò un effetto quantistico di resistenza nel 1980. Le due scoperte consentono di calcolare la forza elettrica dell'equilibrio di Kibble in termini di misurazioni quantiche (usando la costante di Planck), che a sua volta equivale alla massa di un chilogrammo.
Oltre all'equilibrio di Kibble, la carta della "banda di cinque" si rivolge a un altro modo per calcolare la costante di Planck: fabbricando sfere di atomi di silicio-28 praticamente puri, gli oggetti più perfettamente rotondi mai creati dall'umanità. Il volume e la massa di un singolo atomo nella sfera possono essere misurati, il che consente a metrologi e chimici di affinare la costante di Avogadro (il numero di entità è una mole) e dal numero di Avogadro, si possono calcolare le equazioni di Planck tramite equazioni già note.
"Hai bisogno di due modi per farlo in modo da avere la certezza che non esiste un problema nascosto in un singolo metodo", afferma Robinson.
Una lavagna bianca al NIST spiega come un equilibrio di Kibble può equiparare una misura meccanica (il peso di una massa di chilogrammo) a una misura elettrica (la forza della corrente elettrica richiesta per sostenere il chilogrammo, espressa in funzione della costante di Planck). (Jay Bennett) Al fine di ridefinire il chilogrammo, una modifica che verrà attuata il 20 maggio 2019, la Conferenza generale su pesi e misure ha richiesto almeno tre esperimenti per calcolare la costante di Planck con un'incertezza non superiore a 50 parti per miliardo, una delle che deve calcolare il valore entro un'incertezza di 20 parti per miliardo. Lo sforzo internazionale sulla sfera di silicio è diventato abbastanza preciso da raggiungere un'incertezza di solo 10 parti per miliardo e quattro misurazioni del bilancio di Kibble hanno prodotto valori entro l'incertezza richiesta.
E come risultato di tutte queste misure, molto più del chilogrammo sta per cambiare.
Il nuovo sistema internazionale di unità
Più che ridefinire il chilogrammo, la 26a riunione della Conferenza generale su pesi e misure (CGPM) sta fissando un valore fisso per la costante di Planck e, di conseguenza, sta attuando la più grande trasformazione del Sistema internazionale di unità sin dalla sua istituzione nel 1960 In precedenza, la costante di Planck veniva misurata incessantemente, mediata con altre misurazioni in tutto il mondo e un elenco di nuovi valori veniva consegnato agli istituti di ricerca ogni pochi anni.
"Nessuno misurerà la costante di Planck una volta superato questo [voto], perché il suo valore sarà stato definito", afferma Davis.
Oltre alla costante di Planck, la costante di Avogadro verrà impostata su un valore fisso, così come la carica elementare ( e, la carica di un protone) e il punto triplo dell'acqua (la temperatura alla quale l'acqua può esistere come solido, liquido o gas, da definire come 273, 16 gradi Kelvin o 0, 01 gradi C).
Impostando la costante di Planck come valore assoluto, gli scienziati si stanno allontanando dalle misurazioni meccaniche convenzionali e adottando una suite di misurazioni elettriche quantistiche per definire le nostre unità fondamentali. Una volta definita la costante, può essere utilizzata per calcolare un intervallo di masse dal livello atomico a quello cosmico, lasciando dietro di sé la necessità di ridimensionare l'IPK in parti misurabili più piccole o fino a enormi masse.
"Se hai un artefatto, ancorerai la tua bilancia in un solo punto", dice Schlamminger. "E una costante fondamentale non si preoccupa della scala."
Ian Robinson con la bilancia Mark II Kibble. Costruito dal National Physical Laboratory (NPL) nel Regno Unito, Mark II è stato successivamente acquisito dal National Research Council (NRC) del Canada, dove è stato utilizzato per misurare un valore della costante di Planck entro un'incertezza di 9 parti per miliardo. (Immagine gentilmente concessa da NPL) Il nuovo valore per la costante di Planck modifica anche le definizioni delle nostre unità elettriche, come la definizione di ampere del 1948. I fisici hanno usato a lungo gli effetti Josephson e von Klitzing per calcolare con precisione i valori elettrici, ma queste misurazioni non possono far parte dell'IS fino a quando una delle loro variabili, la costante di Planck, è un valore fisso.
“Mi rallegra sempre il fatto che se volevo ottenere il mio voltaggio SI o il mio SI Ohm, dovevo passare attraverso il chilogrammo. Ho dovuto attraversare un'unità meccanica per ottenere le mie unità elettriche ", afferma Newell. "Sembrava molto del 19 ° secolo, ed è stato."
Ora, le unità elettriche verranno utilizzate per ottenere il chilogrammo.
"La gente parla, oh è la ridefinizione del chilogrammo, ma penso che questo in realtà manchi un punto importante", afferma Schlamminger. "Riporteremo queste unità elettriche nel SI."
Per tutte le persone, per tutti i tempi
Ci sono più di una mezza dozzina di equilibri di Kibble in tutto il mondo e molti paesi dal Sud America all'Asia stanno costruendo i propri — perché una volta che gli scienziati ne hanno uno, hanno lo strumento per accedere al chilogrammo e a molte altre unità e misure fondamentali definite da natura. Il chilogrammo non sarà più confinato in un caveau, dove pochi hanno il privilegio di accedervi e tutti hanno così paura di toccarlo che non viene usato ma una volta ogni mezzo secolo.
"Ora significa che ciò che possiamo fare è diffondere il modo di determinare la massa in tutto il mondo", afferma Robinson.
Per gli scienziati il cui lavoro influisce su questo cambiamento, il nuovo Sistema internazionale di unità è a dir poco un'occasione storica.
"Sono ancora preoccupato che questo sia tutto un sogno, e domani mi sveglio, e non è vero", dice Schlamminger. "Penso che questo stia finendo l'arco a cui la gente ha iniziato a pensare prima della Rivoluzione francese, e l'idea era quella di avere misure per tutti i tempi per tutte le persone."
Stephan Schlamminger spiega il bilancio di Kibble con un modello Lego funzionante presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersburg, nel Maryland. (Jay Bennett) "Questo è stato uno dei momenti salienti della mia vita", afferma Klaus von Klitzing del Max Planck Institute, la cui costante sarà cementata come valore fisso a seguito del nuovo SI. "Questo è meraviglioso. Abbiamo l'unificazione di queste unità quantistiche ... con le nuove unità SI, e quindi questa è una situazione meravigliosa. "
Tali modifiche ai nostri valori fondamentali per descrivere l'universo non si verificano spesso, ed è difficile immaginare quando si verifichi di nuovo. Il contatore fu ridefinito nel 1960 e poi di nuovo nel 1984.
Il secondo fu ridefinito nel 1967. "Ora quello fu un cambiamento abbastanza rivoluzionario", dice Davis. "La gente per l'eternità aveva raccontato il tempo con la rotazione della Terra, e all'improvviso siamo passati a una vibrazione in un atomo di cesio".
Se la ridefinizione del secondo sia stato un cambiamento più fondamentale per la comprensione umana rispetto alla ridefinizione del chilogrammo non è da dire, ma, come il secondo, il chilogrammo ridefinito è senza dubbio un momento notevole nel progresso della nostra specie.
"Sbarazzarsi dell'ultimo manufatto ... questa è la cosa storica", dice Davis. “Gli standard di misurazione sono stati basati su questi artefatti, in realtà, poiché tutti lo sanno. Gli scavi del Neolitico mostrano standard - lunghezze standard, masse standard - che sono piccoli pezzi di pietra o roccia o qualcosa del genere. Ed è così che la gente lo fa da millenni, e questo è l'ultimo ”.
L'IS cambierà di nuovo, anche se principalmente per ridurre le incertezze già infinitesimali o passare a una diversa lunghezza d'onda della luce o misura chimica che è sempre leggermente più precisa. In futuro, potremmo anche aggiungere unità all'IS per valori che non abbiamo ancora pensato di definire. Ma non potremo mai più fare ciò che facciamo ora, per abbandonare la comprensione dei nostri antenati e abbracciare un nuovo sistema di misura.
