23.12.2024

Ученые хотят определить килограмм с помощью гравитации, а не электричества. Они на верном пути.

Правильная количественная оценка массы важнее, чем вы думаете.

Метрология, раздел науки, занимающийся измерениями, создала все более совершенные системы измерения килограмма, основанные на фундаментальных принципах, а не на произвольных кусках металла, запертых в хранилище.

В 2018 году ученые переопределили килограмм, связанный с основными электромагнитными принципами. Но новое исследование предполагает, что нечто подобное можно сделать и с гравитационными принципами.

Это может помочь ученым лучше проверить универсальность квантовых эффектов.

История измерений долгая. Древние греки, например, использовали измерения расстояния, основанные на анатомии человека, включая стопу, а также предплечье и ладонь, в то время как римляне (вместе с некоторыми изменениями британцев) разработали mille passum , или «1000 шагов», которые США до сих пор в значительной степени предпочитают более математически и рационально соответствующим системам измерений. Что касается веса, некоторые из самых ранних систем полагались на соотношение величин, основанное на весе одного зерна.

Однако даже метрическая система нуждается в каком-то способе определения своих базовых измерений. Более века килограмм определялся как масса куска платино-иридиевого сплава, хранящегося в Бюро мер и весов во Франции. Учитывая, что это не самое научное определение, а также то, что этот сплав фактически потерял 50 микрограммов с 1889 года, эксперты решили переформулировать определение в термины, более основополагающие для работы вселенной.

Теперь килограмм определяется по отношению к постоянной Планка , наименьшему количеству энергии, которое может переносить фотон. С помощью этой константы ученые могут проводить сверхточные измерения массы, используя весы Киббла , чрезвычайно точную весовую машину.

Связывание массы с электрическими величинами — один из способов убедиться, что килограмм не соскользнет с определенного стандарта. Но теперь ученые из Университета Бреммена и Института естественной метрологии в Германии разработали другой метод, который определяет килограмм относительно гравитации, а не электрических констант. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Такие единицы, как килограмм, таким образом, прослеживаются до электрических единиц», — сказал Клаус Лэммерцаль из Университета Бреммена в пресс-релизе . «Но их также можно было бы реализовать в терминах гравитации. В конце концов, гравитационное поле для масс — то же самое, что электромагнитное поле для зарядов».

Переопределение килограмма основывалось на концепции, известной как квантовый метрологический треугольник, который переопределяет квантовые эффекты в терминах h (постоянная Планка) и e (элементарный заряд). Электромагнетизм , как он перечислен уравнениями Максвелла, и гравитация, выведенная из общей теории относительности Альберта Эйнштейна, оба описываются полями, которые пронизывают природу. В этой статье ученые создали гравитационный эквивалент как для эффекта Джозефсона (пример макроскопического квантового эффекта), так и для квантового эффекта Холла, который часто наблюдается в двумерных системах.

«Нам удалось перенести вспомогательные эффекты метрологии, которые ранее применялись только к электромагнитным полям, на гравитационные поля», — сказал Лэммерцаль.

«Гравитационный квантовый метрологический треугольник может найти применение в метрологии и может быть использован для исследования связи постоянной Планка с массами фундаментальных частиц», — добавили авторы в пресс-релизе.

Это означает, что механические единицы теперь могут быть определены в терминах гравитационной силы, а не только электрической. Это большой шаг вперед в науке.

Даррен Орф.