У підземному сховищі в передмісті Парижа лежить маленький металевий циліндр, відомий як Le Grand K. Протягом 130 років цей невеликий циліндр складається на 90% з платини і на 10% з іридію служив міжнародним кілограмом-прототипом. Це означає, що він був єдиним фізичним об'єктом, яким вимірювалися всі інші кілограми по всій планеті.
Якщо мікроскопічні забруднення в повітрі призводили до того, що Le Grand K ставав трохи важчим, сам кілограм ставав трохи важчим. Якщо ретельне очищення або невелика подряпина призводили до того, що він ставав трохи легше, сам кілограм також ставав легшим. Вважається, що за час свого існування Le Grand K втратив 50 мікрограмів маси. Але довге правління Le Grand K добігає кінця.
Починаючи з понеділка - 20 травня, кілограм буде визначений не іншим об'єктом, а фундаментальною властивістю природи, відомим як постійна Планка. Як і швидкість світла, значення постійної Планка не може коливатися - вона припинена з винятковою точністю в саму тканину всесвіту.
«На відміну від фізичного об'єкта, фундаментальна константа не змінюється», - сказав Стефан Шламмінгер, фізик з Національного інституту стандартів і технологій (NIST) в Гейтерсберзі. «Тепер кілограм буде мати однакову масу, якщо ви перебуваєте на Землі, на Марсі або в галактиці Андромеди».
Дослідники, які присвятили своє життя науці про вимірювання, кажуть, що нове визначення кілограма - і аналогічні зміни молю (який вимірює кількість дуже дрібних частинок), ампера (який вимірює електричний заряд) і кельвіна (який вимірює температуру) - являє собою глибокий переломний момент для людства.
«Здатність проводити вимірювання з зростаючою точністю є частиною розвитку нашого виду», - сказав Уолтер Копан, директор NIST. Рішення про перевизначення чотирьох базових одиниць Міжнародної системи одиниць було прийнято в листопаді на 26-й Генеральній конференції із заходів і терезів у Версалі, Франція.
Витоки метричної системи сходять до французької революції наприкінці 1700-х років. У той час у Франції використовувалося близько 250 000 різних одиниць вимірювання, що ускладнювало комерцію і торгівлю. Нова система була розроблена, щоб бути раціональною і універсальною, з одиницями, заснованими на властивостях природи, а не на королівському указі або примхах місцевих герцогів і магістратів.
Основоположною одиницею системи був метр, який мав становити одну десятитисячну дистанцію - від Північного полюса до екватора вздовж паризького меридіану. (Вчені в той час зробили невелику помилку в своїх вимірах, і метр був приблизно на 2 міліметри довшим, ніж повинен бути.)
У той же час, кілограм був визначений як маса 10 кубічних сантиметрів води при 4 градусах Цельсія. Ці одиниці були прийняті Французькою Республікою протягом 1795 року, хоча на практиці люди продовжували використовувати свої власні локальні вимірювання ще протягом десятиліть.
Країни в Європі та Південній Америці прийняли метричну систему протягом 19-го століття. У 1875 році делегати з США та 16 інших країн підписали Договір про метр у Парижі. Він встановив універсальну систему одиниць на основі метра, кілограма і секунди, яка спростила б торгівлю між народами (секунда була визначена як 1/86400 від середнього часу, який потрібен Землі для виконання одного обертання навколо своєї осі).
Договір метра також заснував Генеральну конференцію із заходів і терезів (CGPM), міжнародну групу, якій доручено вивчити і проголосувати за пропоновані зміни в одиницях вимірювання для всіх держав-членів.
CGPM затвердив ще три базові одиниці 1954 року - ампер для електричного струму, кельвін для термодинамічної температури і канделу для сили світла.
У 1967 році він перевизначив значення секунди, засноване на коливаннях атома цезію-133 - набагато більш точного і надійного маятника, ніж обертання Землі.
У 1983 році метр став першою метричною одиницею, прив'язаною до фундаментальної властивості всесвіту, коли він був перевизначений як відстань, пройдене світлом у вакуумі за 1/299,792,458 секунди.
І тільки кілограм залишався прив'язаним до маси циліндра Le Grand K, настільки дорогоцінного об'єкта, що його видаляли з його сховища з потрійним замком тільки один раз на 40 років для очищення і калібрування. Метрологи прагнули оновити визначення кілограма з початку 1900-х років, але здатність вимірювати постійну Планка з необхідною точністю з'явилася лише недавно.
Постійна Планка - це число, що зв'язує енергію і частоту світла, майже як пі співвідносить окружність і діаметр кола. У 1970-х роках вчені Британської національної фізичної лабораторії розробили новий тип шкал, який пов'язує масу з електромагнітною силою. Він був названий балансом Кіббла на честь його винахідника, Брайана Кіббла, і хоча він ще не був достатньо точним, щоб перевизначити кілограм, він запропонував шлях вперед.
До 2005 року вимірювання, проведені з використанням балансу Кіббла, покращилися настільки, що група дослідників, відомих серед метрологів як "Банда п'яти", написала статтю під назвою "Перевизначення кілограма: рішення, час якого настав ".
У 2013 році експерти погодилися з тим, що для зміни визначення національним метрологічним інститутам необхідно буде виміряти постійну Планка з точністю до 20 частин на мільярд і показати, що два різних методи вимірювання дають одну і ту ж відповідь.
«У одного експерименту може бути прихований дефект, але якщо у вас є два абсолютно різних підходи, і вони згодні, то шанси на те, що ви не праві, дуже малі», - сказав Ян Робінсон, дослідник з Національної фізичної лабораторії.
Баланс Кіббла надав перше значення. Інший вимір включав сферу розміром з м'яч з чистого збагаченого кремнію. Структура 1-кілограмової сфери і атомів всередині неї дозволила вченим точно виміряти постійну Авогадро, яка пов'язує кількість атомів або молекул у речовині з його масою. Це було використано для визначення постійної Планка за допомогою добре зрозумілих рівнянь. У підсумку кремнієва сфера служила перевіркою підходу балансу Кіббла.
Подібна філософія використання фіксованих констант лежить в основі нових визначень моля, кельвіна і ампера. Після понеділка моль визначатиметься значенням постійної Авогадро, кельвін - значенням постійної Больцмана (яка відноситься до температури та енергії), а ампер - значенням елементарного заряду, найменшого спостережуваного заряду у Всесвіті.
«Кожен має доступ до цих фундаментальних постійних», - кажуть Стефан Шламмінгер. "Вони не роблять відмінностей між багатими і бідними. Все, що вам потрібно, це трохи фізики ".
Вони також не проводять відмінності між землянами і істотами в інших частинах всесвіту. За словами вчених, точно так само, як перша ітерація метричної системи спростила спілкування і торгівлю між країнами, знову певні одиниці можуть одного разу допомогти людству спілкуватися з інопланетянами.
"Якщо ми вступимо в контакт з інопланетянами, про що ми будемо говорити з ними? Про Фізику. Більше нічого немає ", - сказав Шламмінгер. «Але якщо ви скажете інопланетянам, що наші одиниці виміру засновані на шматочку металу, ви станете посміховиськом для всієї галактики».
Лорд Кельвін, один з лідерів в області метрології, сказав: «Виміряти - значить знати». Оскільки ми можемо вимірювати все зі зростаючою точністю, то можемо більше дізнатися про основи нашого всесвіту і основи життя.