Mijenja se masa kilograma - od svibnja više neće težiti isto
Gaithersburg u Marylandu 12 metara ispod površine u bijelom laboratoriju, za koji su potrebna tri ključa kako bi se u njega ušlo, SAD čuva dragocjenu kolekciju malih, sjajnih metalnih cilindara koji doslovno definiraju masu svega u ovoj zemlji. Prekrasni su, u njima se možeš ogledati i moram se suzdržati iskušenju da ih dotaknem. Jer ako bih ih dotaknuo, mogao bih ih kontaminirati masnoćom s moje kože i time im podići masu.
Patrick Abott, "čuvar kilograma" ovdje u Nacionalnom institutu za standarde i tehnologiju (NIST) kaže mi da bi to bilo vrlo loše. Trenutno kilogram ima vrlo jednostavnu definiciju: to je masa komada slitine platine i iridija, proizvedene 1889. godine što se čuva u Međunarodnom uredu za utege i mjere u Sevresu u Francuskoj.
To se naziva Međunarodnim prototipom kilograma (Big K ili Le grand K) i diljem svijeta ima mnoštvo kopija, uključujući njih sedam u NIST-u u Gaithersburgu, koje koriste za kalibriranje ljestvica i za to da budu sigurni da je cijeli svijet pod jednim mjernim sustavom. Ovdje je jedna od kopija u NIST-u, nazvana K4, proizvedena od istog onakvog metala kao i Big K u 19. stoljeću. Pogledajte ga jako dobro. Jer uskoro će se ovaj 129 godina stari standard za kilogram promijeniti.
U petak se znanstvenici diljem svijeta sastaju na Općoj konferenciji o utezima i mjerama u Verasillesu u Francuskoj kako bi glasali o novoj definiciji kilograma koja bi bila povezana s univerzalnim konstantama iz prirode. Posebno važan razlog za promjenu je taj što Big K nije konstantan. Izgubio je oko 50 mikrograma otkako je proizveden, otprilike masu jedne trepavice. A, frustrirajuće, i kad Big K izgubi na masi, to je i dalje jedan kilogram, slijedeći postojeću definiciju.
Kad se Big K mijenja, sve ostalo se mora prilagoditi. Čak i gore, ako bi Big K bio ukraden, naš svjetski sustav mjerenja mase bio bi bačen u kaos. S glasanjem u petak, za koje se očekuje da će proći, vodeći svjetski znanstvenici vezat će kilogram za Planckovu konstantu, temeljni pojam u kvantnoj mehanici koji se nikad, ali baš nikada ne mijenja, bilo ovdje na Zemlji ili u najdaljim dijelovima svemira.
Neće to biti samo pobjeda znanosti, nego i filozofije, kako sam doznao od znanstvenika u NIST-u koji su godinama radili na redefiniranju kilograma i koji ovaj trenutak nazivaju najuzbudljivijim vremenom u cijeloj svojoj karijeri. Kada se definicija kilograma bude mijenjala, Opća konferencija o utezima i mjerama dovršit će originalni san o metričkom sustavu, koji je prihvaćen s Francuskom revolucijom. Metrički sustav, koji se razvio u Međunarodni sustav mjernih jedinica (SI) nastao je kako bi bio "za sva vremena, za sve ljude".
"Predmeti se uvijek mijenjaju. S novom definicijom mi odlazimo od jednog predmeta prema stvari koja je na nebu", kaže Stephan Schlamminger, NIST-ov znanstvenik uključen u redefiniranje.
A to jest vrijedno slavlja. U svijetu u kojem se čini da je sve i stalno u promjeni, ovi znanstvenici sada su osigurali da se kilogram nikada ne promijeni. Kako znate koliko teži nešto? Očiti je odgovor da se to stavi na vagu. Ali, kada odete u prodavaonicu i izvažete pakiranje jabuka, kako vaga zna koliko iznosi kilogram voća? Kako bismo mjerenje mase napravili smislenim, trebamo čvrstu točku za usporedbu. Te jabuke trebaju težiti više ili manje od nečega.
Kako bismo izbjegli kaos i osigurali da nam ekonomija funkcionira, to nešto treba biti univerzalno priznato. Ljestvica na vagi u vašem dućanu kalibrirana je prema utegu koji je kalibriran prema utegu koji je kalibriran prema utegu... i tako dalje. A sve te kalibracije vode do ovog mjesta, do utrobe NIST-a. Nepromjenjivi utezi i mjere važniji su od dućana: zamislite da Boeing ne bi mogao precizno odrediti koliko mu teži avion ili da u farmaceutskoj industriji ne bi mogli odrediti točnu masu sićušnih, potencijalno smrtonosnih doza lijeka.
U SAD-u i dalje koristimo imperijalne jedinice: funte i unce. Ali i sve naše mjere izvedene su iz Međunarodnog sustava mjernih jedinica, iz SI-a, koji koristi metre i kilograme kao temeljne jedinice za duljinu i masu. Kada je riječ o masi u SAD-u, sve vodi do ovih cilindara, precizno oblikovanih kako bi težili 1 kilogram. Službeno je u SAD-u funta definirana kao 0,45359237 kilograma. Službeno je jedna stopa definirana kao 1200⁄3937 metara.
Sustav nije uvijek bio ovako sređen. Prije Francuske revolucije i izuma metričkog sustava, sustavi ta utege i mjere u svijetu bili su kaotična zbrka bez pravila.
"Zamislite svijet u kojem svaki put kad putujete, morate koristiti drugačije konverzije za mjere, kao što to danas činimo s valutama", objašnjava Madhvi Ramani s BBC-a.
"Takvo je bilo stanje prije Francuske revolucije, krajem 18. stoljeća, kada su utezi i mjere varirale ne samo od nacije do nacije, nego i unutar nacija."
Francuska revolucija bila je rušenje starih, arhaičnih, kaotičnih hijerarhija, preostalih iz doba feudalizma, te mijenjanje društva s principima jednakosti na umu. Znanstvenici tog doba bili su inspirirani revolucijom i htjeli su sasvim novi početak, baziran na novom, konzistentnom sustavu mjera, baziran na mjernim jedinicama, ne na proizvoljnim odlukama kraljeva, nego iz prirode. Cilj je bio sastaviti sustav mjera "za sva vremena, za sve ljude".
Pa kada je u Francuskoj krajem 19. stoljeća osnovan Ured za utege i mjere, standardna jedinica za duljinu oblikovana je tako da iznosi jedan deset-milijunti dio udaljenosti od Sjevernog pola do ekvatora. Gram je inspiriran gustoćom vode: On je, ugrubo, mase jednake jednom kubičnom centimetru vode na temperaturi od 4°C. Kako bi se rasprostranilo ove nove jedinice i time osiguralo da ih razumiju svi diljem svijeta, tvorci metričkog sustava odlučili su napraviti fizičke predmete koji bi to sve utjelovili i definiralo to isto.
Proizveli su šipku metala koja je duga točno jedan metar. Proizveli su Big K kako bi predstavili jedan kilogram ili 1000 grama. Od 19. stoljeća svi fizički relikti starog metričkog sustava zamijenjeni su mjerama vezanima za konstante iz prirode. Metar je izvorno određen kao omjer veličine planeta Zemlje. Ali čak niti oblik svijeta nije nepromjenjiv. Tako da je danas metar definiran brzinom svjetlosti. Sekunda je definirana promjenama u stanju atoma cezija.
Samo je kilogram još uvijek definiran fizičkim predmetima. Zasad. Koja je sada nova definicija kilograma? Pripremite se, jer pomalo je jedinstveno. Ako bi prošlo glasanje u petak na Općoj konferenciji za utege i mjere, promjene bi stupile na snagu u svibnju 2019. Ali, kada bi napokon stupile na snagu, evo kako bi kilogram bio definiran prema Međunarodnom sustavu mjernih jedinica:
"Kilogram, oznaka 'kg', SI-ova je jedinica za masu. Definirana je tako da to bude fiksna numerička vrijednost Planckove konstante 'h' u iznosu 6.626 070 15 × 10-34 kada se to izražava u jedinici 'J', koja je jednaka kgm2s-1, gdje su metar i sekunda definirani izrazima c i ∆νCs."
Koji vrag!? To je teže za objasniti nego komadinu metala u Francuskoj, ali idemo pokušati. Suštinski, Opća konferencija za utege i mjere fiksirat će vrijednost Planckove konstante, koja opisuje kako najmanji komadići materije otpuštaju energiju u diskretnim koracima odnosno paketima, nazvanima kvanti. S glasanjem u petak, Planckova konstanta sada i zauvijek bit će postavljena kao 6.62607015 × 10-34 m2 kg/s. A onda iz te vrijednosti znanstvenici mogu izvesti masu kilograma.
Ovakva redefinicija trajala je desetljećima jer je Planckova konstanta sićušna, počinje sa zarezom iza kojega slijede 34 nule i mora ju se računati sa supersićušnom razinom pogreške. Taj zadatak iziskuje pažljivo mjerenje s nevjerojatno kompliciranim strojem, nazvanim Kibbleov balans, kao i s ekstremno okruglom sferom silicija. Ovakvo objašnjenje može se činiti klimavim. I jest. Ali bolje da ga prihvatite, jer pomaže shvatiti kako je metar redefiniran kao izvod iz brzine svjetlosti i kako primjer toga zašto je to neophodno.
Metar je jednom već redefiniran kao iznos određene valne duljine radijacije. Brzina svjetlosti je nepromjenjiva, iznosi 299,792.458 metara u sekundi. Bez obzira gdje se nalazite, smatraju znanstvenici, uvijek ostaje ista. Ili, ako bi se mijenjala, to bi onda djelovalo na sve što znamo o fizici. Do 1983. fizičari su postali zbilja dobri u mjerenju brzine svjetlosti, tako da su je iskoristili za fiksiranje duljine metra zauvijek.
Evo kako: Rekli su da je metar jednak udaljenosti koje svjetlo u vakuumu prevali tijekom 1/299,792.458 sekundi. Suštinski, definicija metra je sada urezana u definiciju brzine svjetlosti. Evo u čemu je poezija: znanstvenici su uzeli metar, proizvoljno određenu mjeru udaljenosti što ju je izumio čovjek i povezali je s univerzalnom konstantom. Naše zbrkano ljudsko mjerenje tako je nadišlo našu zbrkanu ljudskost: stopilo se s vječnom istinom. Novi metar definiran svjetlošću isti je kao stari standard metra u Parizu.
Ali za razliku od starog standarda u Parizu, nova definicija metra ne može se nikada, baš nikada promijeniti. Isto se događa s Planckovom konstantom. Kao i brzina svjetlosti, Planckova konstanta je univerzalna istina koja se nikada neće promijeniti. Određivanjem konačne vrijednosti Planckove konstante, jedinice među kojima je i kilogram na način na koji je i metar uključen u brzinu svjetlosti, veličina kilograma zauvijek je stabilna.
O tome možete razmišljati i na ovaj način: Kilogram je usidren u Planckovu konstantu gdje će ostati vječno. Dio problema bilo je i kako izmjeriti Planckovu konstantu do ekstremno preciznih vrijednosti. Znanstvenici su desetljećima koristili stroj nazvan Kibbleov balans. A on je također smješten duboko u podzemlje NIST-a. Ugrađen je u betonski pod koji doslovno može plutati iznad temelja zgrade kako bi bolje izolirao svoju osjetljivu opremu od svih vibracija ostatka postrojenja.
Morao sam nositi plastičnu mrežu preko kose i cipela dok sam ga išao pogledati, jer bi ga svaki i najmanji trun mogao izbaciti iz kalibriranog položaja. Da su u viktorijanskom razdoblju izgradili vremenski stroj i smjestili ga u pivovaru, mogu zamisliti da bi izgledao nekako ovako. Kibbleov balans radi otprilike kao i obični balans masa. Zamislite Božicu pravde i ono što drži u jednoj ruci: Ono ima dva pladnja koji balansiraju u središnjoj točki.
Obična vaga uspoređuje dva utega sa svake strane po jedan na svakom pladnju s ciljem da ih izjednači. Kibbleov balans, prozvan po britanskom izumitelji Bryanu Kibbleu, čini nešto slično, ali na kvantnoj razini. On izjednačuje mehaničku energiju koja potječe od mase objekta s ekvivalentnim iznosom električne energije. Formula po kojoj to čini je komplicirana:
Bitno je to da je u toj jednadžbi sadržana Planckova konstanta, tako da su znanstvenici, koristeći taj stroj, bili u stanju riješiti Plancka. Sada se možete pitati što Kibbleov balans može imati s definiranjem Planckove konstante? Ima to da uz ovaj stroj nije potreban Big K u Francuskoj, a usto kilogram određuje savršeno točno u odnosu na Planckovu konstantu, jednu od temeljnih činjenica univerzuma.
Teoretski svatko može izgraditi ovaj stroj (rekli su mi da su u pripremi minijaturizirane verzije". Tako da u budućnosti neće trebati slati utege i vage na kalibriranje u NIST. Naprosto će sami izgraditi svoj stroj, što je i demokratičnije, sasvim u skladu s načelima Francuske revolucije i imuno na sve ljudske manipulacije.
Tekst je prenesen iz Vox.com.