Φυσικοί με τη βοήθεια της σταθεράς του Planck προσδιορίζουν με ακρίβεια το κιλό

Το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) έχει το έργο της ‘διάλυσης’ του χρόνου και του χώρου σε απίστευτα μικρά κομμάτια για να μπορέσουμε να βελτιώσουμε τις μετρήσεις μας για το Σύμπαν. Αυτή τη φορά, έχει καταλήξει στην πιο ακριβή τιμή της σταθεράς του Planck – έναν αριθμό που θα βοηθήσουν την Επιτροπή Δεδομένων για την Επιστήμη και την Τεχνολογία να αναθεωρήσει τον επίσημο ορισμό της για την κιλό το επόμενο έτος.

Έτσι, η NIST στην πιο ενημερωμένη μέτρηση της σταθεράς h του Planck λέει ότι αυτή ισούται με 6.626069934 x 10−34 kg∙m2/s, με σχετικό σφάλμα μόνο 13×10−9 , αντικαθιστώντας την παλιά τιμή 6,62607004 Χ 10−34 kg.m2 / s.

Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα όργανο ακριβείας τον Ζυγό Kibble (Kibble balance) για να καθορίσουν το μέγεθος αυτό με μια αβεβαιότητα μόλις 13 μέρη ανά δισεκατομμύριο. Η προηγούμενη ακρίβεια του NIST είχε μια αβεβαιότητα 34 μέρη ανά δισεκατομμύριο. Παλιότερα λεγόταν Ζυγός Watt, αλλά του δόθηκε το όνομα Kibble για να τιμήσουν τον Βρετανό φυσικό Bryan Kibble, ο οποίος ανακάλυψε την τεχνική αυτή πριν από 40 χρόνια. Ο ζυγός Kibble του NIST χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις για να ισορροπήσει μια μάζα ενός χιλιογράμμου. Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις δημιουργούνται από ένα πηνίο που είναι τοποθετημένο μεταξύ δυο μόνιμων μαγνητών.

Ενώ η κβαντική μηχανική σήμερα είναι γνωστή για την κατάσταση μιας γάτας (νεκρή/ζωντανή) σε ένα κουτί ή για τα στοιχειώδη σωματίδια που “επικοινωνούν” μεταξύ τους σε μακρυνές αποστάσεις, όμως στην καρδιά της έχει να κάνει με την κβάντωση της ενέργειας.

Με άλλα λόγια, η μεταφορά της ενέργειας δεν συμπεριφέρεται σαν ένα ρέον συνεχές ρεύμα υγρού, αλλά σαν την άμμο, όπου ρέει σε κόκκους ή σε στοιχειώδη ποσά, τα κβάντα .

Ο Planck μετρώντας την θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από δονούμενα άτομα, καθόρισε ότι οι συχνότητες των κυμάτων ήταν όλες πολλαπλάσια μιας σταθεράς, που την ονόμασε h . Αυτή τώρα ονομάζεται σταθερά του Planck, και μπορεί να πολλαπλασιαστεί με τη συχνότητα ενός κύματος για να καθορίσει τη συνολική ενέργειά του.

Από τότε που ο Einstein έδειξε ότι η ενέργεια και η μάζα ήταν οι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος, η σταθερά του Planck μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να περιγράψει την μάζα ενός αντικειμένου.

Στο παρελθόν, μια μονάδα πχ το μήκος ή η μάζα ήταν αρκετά πρόχειρη συγκρινόμενη με βάση κάποιο πρότυπο μήκος ή πρότυπο βάρος που βρίσκονται συνήθως στη φύση. Για παράδειγμα, η βάση της ίντσας είναι το μήκος τριών κόκκων κριθαριού και ένα πάουντ ήταν το βάρος 5.760 σπόροι κριθαριού.

Χρειαζόμαστε όμως συνεχώς μεγαλύτερη ακρίβεια στις μετρήσεις μας οπότε χρειάζεται να τυποποιήσουμε με μεγάλη ακρίβεια τις μονάδες μας, του μήκους και της μάζας.

Το δευτερόλεπτο βασίζεται στον χρόνο που χρειάζεται ένα άτομο να ταλαντώνεται υπό ορισμένες συνθήκες, και ένα μέτρο βασίζεται τώρα στο μήκος μιας διαδρομής του φωτός στο κενό κατά τη διάρκεια ενός κλάσματος του εν λόγω δεύτερου.

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, το χιλιόγραμμο συγκρινόταν με ένα μοναδικό σημείο αναφοράς – την πρότυπη μάζα . Ένας κύλινδρος από πλατίνα και ιρίδιο ύψους και διαμέτρου 39 mm, που φυλάσσεται εδώ και 127 χρόνια σε ένα θησαυροφυλάκιο στο Παρίσι και με αυτήν ο κόσμος έκανε σύγκριση με το σύνολο των κιλών του..

Αλλά τα άτομα του μπορούν να απομακρύνονται κάθε στιγμή, οπότε η μάζα του συνεχώς να αλλάζει. με την πάροδο του χρόνου.

Ένας τρόπος για να τυποποιηθεί το χιλιόγραμμο είναι να δηλώσουμε ότι αυτό ισούται με ένα συγκεκριμένο αριθμό ατόμων ενός συγκεκριμένου στοιχείου.

Το 2011 , η Διεθνής Επιτροπή για τα Μέτρα και Σταθμά επίσημα συμφώνησε ότι δεν μπορείτε να πάρετε μεγαλύτερη ακρίβεια από την σταθερά του Πλανκ, έτσι καθόρισαν ένα μαθηματικό τύπο, που βασίζεται σε μια μέτρηση της σταθεράς h και από αυτήν θα πρέπει να γίνει το νέο κιλό.

Ενώ η σταθερά h δεν αλλάζει, η ακρίβεια της βελτιώνεται με περισσότερα και καλύτερα δεδομένα.

Το όργανο Kibble που χρησιμοποιείται από το NIST είναι βασικά ένα βάρος σε έναν βραχίονα με ένα συρμάτινο πηνίο εντός ενός μαγνητικού πεδίου. Περνώντας ένα ρεύμα μέσα από το πηνίο παράγει ένα άλλο μαγνητικό πεδίο που πιέζει τη μάζα.

Οι μετρήσεις του ρεύματος και η κίνηση του βραχίονα με και χωρίς το βάρος, με τη χρήση ειδικών εξισώσεων είναι αυτό που δίνει στους ερευνητές τη σταθερά της μάζας.

Η ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος υπολογίζεται με τη βοήθεια του κβαντικού φαινομένου Hall καθώς και του φαινομένου Josephson. Όμως σε αυτά τα κβαντικά φαινόμενα κρύβεται η σταθερά του Planck.

Το NIST έφτασε λοιπόν στη νέα σταθερά όχι με μια καλύτερη ισορροπία, αλλά χρησιμοποιώντας μια μεγαλύτερη ομάδα αποτελεσμάτων και την καλύτερη κατανόηση των ιδιοτήτων του μαγνητικού πεδίου της συσκευής.

Με αυτούς τους νέους αριθμούς, το NIST ελπίζει να βελτιώσει τον ισχύοντα ορισμό του κιλού με ένα νέο πρότυπο το Νοέμβριο του επόμενου έτους.

Η έρευνα αυτή έχει υποβληθεί στο περιοδικό Metrologia .
Πηγή