Ein neuer Standard definiert das Kilogramm ab Mai 20, 2019. Shutterstock / Piotr Wytrazek

Wir messen ständig Dinge - wie lange, wie schwer, wie heiß und so weiter -, weil wir dies für Dinge wie Handel, Gesundheit und Wissen benötigen. Es war jedoch eine Herausforderung, bei unseren Messungen sicherzustellen, dass Äpfel mit Äpfeln verglichen werden: Wie kann ich feststellen, ob mein Kilogrammgewicht oder meine Meterlänge mit Ihrem übereinstimmen?

Im Laufe der Jahre wurde versucht, die Maßeinheiten zu definieren. Aber Mai 20, 2019 - Internationaler Tag der Metrologie - sieht das vollständige Überarbeitung dieser Standards ins Spiel kommen.

Sie werden nichts bemerkt haben - Sie werden nicht schwerer oder leichter sein als am Vortag -, weil der Übergang nahtlos gemacht wurde.

Nur die Definitionen der sieben Basiseinheiten der SI (Système International d'Unités oder Internationales Einheitensystem) unterscheiden sich jetzt grundlegend von gestern.

Neue Definitionen der (SI) -Normen für Kilogramm (kg), Meter (m), Sekunde (n), Ampere (A), Kelvin (K), Mol (mol) und Candela (cd). BIPM, CC BY-ND

Wie wir früher gemessen haben

Der Mensch hat immer zählen können, aber als wir uns weiterentwickelten, haben wir schnell Längen, Gewichte und Zeit gemessen.

Die ägyptischen Pharaonen ließen Pyramiden auf der Grundlage der Länge des königlichen Unterarms bauen, der als Royal Cubit bekannt ist. Dies wurde von Ingenieurpriestern aufrechterhalten und verkündet, die den Standard unter Todesstrafe aufrechterhielten.

Metrologie in Aktion - Wiegen der Seelen der Toten und des ägyptischen Royal Cubit (der schwarze Stab). Brynn Hibbert

Aber die Elle war im Laufe der Zeit keine feste Einheit - es war ungefähr ein halber Meter, plus oder minus ein paar Zehnmillimeter nach heutigem Maß.

Der erste Vorschlag für ein universelles Set von Dezimalzahlen wurde von John Wilkins in 1668, dem damaligen Sekretär der Royal Society in London, gemacht.

Der Anstoß, etwas Praktisches zu tun, kam mit der Französischen Revolution. Es waren die Franzosen, die die ersten Maßstäbe für Länge und Masse festlegten, wobei zwei Platinmaßstäbe den Meter und das Kilogramm am 22 im Juni 1799 im Archives de la République in Paris darstellten.

Vereinbarte Standards

Wissenschaftler unterstützten die Idee, wobei der deutsche Mathematiker Carl Friedrich Gauß besonders interessiert war. Vertreter der 17 - Nationen kamen zusammen, um das Internationale Einheitensystem durch Unterzeichnung des Übereinkommens zu schaffen Meter Convention-Vertrag Mai 20, 1875.

Frankreich, dessen Straße im französisch-preußischen Krieg einen Schlag abbekommen hatte und nicht mehr die wissenschaftliche Macht war, die es einst war, bot im Wald von Saint-Cloud ein zerstörtes Schloss als internationale Heimat für das neue System an.

BIPM, Heimat des SI. Brynn Hibbert (2012)

Der Pavillon von Breteuil beherbergt noch immer das Bureau International de Poids et Mesures (BIPM), in dem sich der Internationale Kilogramm-Prototyp (fortan das Große K) in zwei Safes und drei Glasglocken befindet.

Der Big K ist ein polierter Block aus Platin-Iridium, mit dem das Kilogramm definiert wird, an dem letztendlich alle Kilogrammgewichte gemessen werden. (Das Original wurde nur dreimal gegen eine Anzahl nahezu identischer Exemplare gewogen.)

Internationaler Prototyp des Kilogramms (der Big K). Foto mit freundlicher Genehmigung des BIPM

Die Briten, die in den Diskussionen eine herausragende Rolle gespielt und das Platin-Iridium-Kilogramm zur Verfügung gestellt hatten, weigerten sich, den Vertrag bis 1884 zu unterzeichnen.

Schon damals wurde das neue System nur von Wissenschaftlern verwendet. Der Alltag wurde in traditionellen imperialen Einheiten wie Pfund und Unzen, Fuß und Zoll gemessen.

Die Vereinigten Staaten haben den Vertrag an diesem Tag unterzeichnet, ihn dann aber nie tatsächlich umgesetzt. Sie haben an ihrer eigenen Version des britischen Imperial-Systems festgehalten, das sie heute noch zum größten Teil verwenden.

Die USA haben diese Entscheidung möglicherweise in 1999 begründet, als der Mars Climate Orbiter (MCO) verschwand in Aktion. Das in den Vorfall melden, urig ein "Missgeschick" genannt (das 193.1 Millionen US-Dollar in 1999 gekostet hat), sagte:

[…] Die Hauptursache für den Verlust des MCO-Raumfahrzeugs war das Fehlen der Verwendung von metrischen Einheiten bei der Codierung einer Bodensoftwaredatei, „Small Forces“, die in Flugbahnmodellen verwendet wird.

Im Wesentlichen ging das Raumschiff in der Marsatmosphäre verloren, als es tiefer als geplant in die Umlaufbahn eintrat.

Die neuen SI-Definitionen

Warum also die Änderung heute? Die Hauptprobleme bei den vorherigen Definitionen betrafen die Kilogrammsie waren nicht stabil und für die Einheit des elektrischen Stroms, das Ampere, konnte nicht realisiert werden.

Und von den Abwägungen gegen offizielle Kopien denken wir, dass der Big K langsam an Masse verlor.

Alle Einheiten werden jetzt auf eine gemeinsame Weise definiert, indem das BIPM dieexplizite KonstanteFormulierung.

Die Idee ist, dass wir eine universelle Konstante - zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum - nehmen und ihren numerischen Wert von nun an ohne Unsicherheit auf unseren besten Messwert festlegen.

Die Realität ist festgelegt, die Anzahl ist festgelegt und die Einheiten sind nun definiert.

Wir mussten daher sieben Konstanten finden und sicherstellen, dass alle Messungen innerhalb der Messunsicherheit konsistent sind, und dann den Countdown bis heute starten. (Alle technischen Details sind finden Sie hier.)

Australien war an der Herstellung des rundesten makroskopischen Objekts auf der Erde beteiligt, einer Siliziumkugel, mit der die Avogadro-Konstantedie Anzahl der Unternehmen in einer festgelegten Menge an Substanz. Dies definiert nun die SI-Einheit, Mol, die hauptsächlich in der Chemie verwendet wird.

Walter Giardini vom National Measurement Institute Australia hält eine Siliziumkugel im Rahmen des Avogadro-Projekts. Brynn Hibbert

Vom Standard zum Artefakt

Was ist mit dem Big K - dem Standard-Kilogramm? Heute wird es zu einem Objekt von großer historischer Bedeutung, das gewogen werden kann und dessen Masse eine Messunsicherheit aufweist.

Ab heute wird das Kilogramm mit der Planck-Konstante definiert, was sich gegenüber der Quantenphysik nicht ändert.

Die Herausforderung besteht nun jedoch darin, diese neuen Definitionen den Menschen - insbesondere Nichtwissenschaftlern - zu erklären, damit sie sie verstehen. Ein Kilogramm mit einem Metallblock zu vergleichen ist einfach.

Technisch ist ein Kilogramm (kg) jetzt definiert:

[…] Indem Sie den festen Zahlenwert der Planck-Konstante nehmen h 6.626 070 15 × 10 sein^-34 ausgedrückt in der Einheit J s, die kg m entspricht² s^-1, wobei der Zähler und der zweite in Bezug auf definiert sind c Und ??_Cs.

Über den Autor

David Brynn Hibbert, emeritierter Professor für Analytische Chemie, UNSW

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