Aktualności (nie tylko) fizyczne

Ze stałą Plancka po ziemniaki

Nie znamy wszystkich powodów, dla których rok 2019 zaznaczy się w historii nauki. Jeden jest jednak już pewny - od 20 maja wejdą w życie nowe definicje niektórych jednostek układu SI. Zmiany zostały przyjęte pół roku wcześniej przez obradującą w Wersalu Generalną Konferencję Miar (Conférence générale des poids et mesures). Decyzja ta jest w pewnym sensie zwieńczeniem procesu zapoczątkowanego wprowadzeniem metrycznego układu jednostek w 1790 roku, który miał wyrazić je w oparciu o uniwersalne i ściśle związane z przyrodą definicje jednostek fizycznych. Przypatrzmy się zatem, jak już niebawem będziemy opisywać masę, natężenie prądu, temperaturę i ilość substancji.

Kilogram. Przez 130 lat masa $1 kg$ była zdefiniowana jako masa wykonanego ze stopu platyny i irydu wzorca. Istnienie jednego uniwersalnego obiektu wyznaczającego jednostki masy na całym świecie było jednak niepraktyczne, wykonano więc szereg kopii wzorca, które w miarę upływu czasu poczynały różnić się masą od swojego protoplasty. Nie trzeba mówić, jakie problemy praktyczne czy prawne stwarzała taka sytuacja. Nowa definicja kilograma jest zupełnie inna. Stała Plancka jest z definicji równa dokładnie

−34 kg-⋅m2 6,62607015 ⋅10 s

i, znając definicję sekundy (obowiązującą od 1967 roku) oraz metra (obowiązującą od 1983 roku), możemy stwierdzić, czym jest kilogram.

Amper. Od 63 lat natężenie prądu $1 A$ było określone w następujący sposób. Braliśmy dwa nieskończone, równoległe przewodniki prostoliniowe umieszczone w próżni w odległości $1 m$ i przepuszczaliśmy przez nie stały prąd. Jeżeli siła działająca na $1 m$ takiego przewodnika była równa $2⋅10−7 N,$ natężenie prądu było równe jednemu amperowi. Definicja ta była w oczywisty sposób problematyczna, gdyż trudno jest zrealizować doświadczalnie z dużą dokładnością przedstawioną w niej koncepcję pomiaru. W rzeczywistości najdokładniejsze pomiary pozwalające na wyznaczenie ampera opierały się na równowadze między siłami grawitacyjnymi i magnetycznymi. Nowa definicja jednostki natężenia prądu bazuje na wyznaczeniu ładunku elementarnego (np. elektronu lub protonu) jako

−19 1e = 1,602176634 ⋅10 C;

wówczas prąd $| 1 A$ odpowiada przepływowi $|-----1----- 1,602176634⋅10 19$ ładunków elementarnych w ciągu sekundy.

Kelwin. Od ponad półwiecza $1 K$ równał się $-1-- |273,16$ temperatury bezwzględnej punktu potrójnego wody (w którym może istnieć zarówno faza stała, ciekła, jak i gazowa). Nowa definicja określa stałą Boltzmanna jako

2 kB = 1,380649 ⋅10−23 kg-⋅m-, s2⋅K

zatem, znając definicje metra, sekundy i kilograma, możemy wyznaczyć także jednostkę temperatury.

Mol. Dotąd $|1 mol$ dowolnej substancji liczył sobie tyle cząsteczek, ile jest ich w $0,012 kg$ węgla $|12C.$ Według nowej definicji będzie to ilość substancji zawierającej $6,02214076 ⋅1023$ cząsteczek. Oznacza to, że liczbę Avogadro przyjmujemy jako znaną dokładnie i względem niej wyznaczamy ilości dowolnych substancji.

Wprowadzenie nowych definicji jednostek jest wyrazem zmian, jakie dokonały się w fizyce w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. Ustępujące definicje odnoszą się do badania własności obiektów makroskopowych, podczas gdy te nowe są mocno osadzone w badaniach mikroświata. Oznacza to, że obecnie to właśnie doświadczenia w mikroskali są dokładniejsze i łatwiejsze do przeprowadzania w porównywalny sposób w laboratoriach na całym globie.

Zmiana ma też charakter filozoficzno-poznawczy. Dotychczasowe definicje odpowiadały wyobrażeniom i intuicjom, jakie można w łatwy sposób wytworzyć, gdy myślimy o tym, czym jest masa, prąd, temperatura czy ilość substancji. Nowe wzorce rezygnują z tych intuicji i odnoszą się bezpośrednio do wartości stałych fizycznych. Dołączają w ten sposób do trendu wyznaczonego przez sekundę i metr: ta pierwsza to $|9192631770$ okresów drgań fali elektromagnetycznej odpowiadającej promieniowaniu elektromagnetycznemu przy przejściu między dwoma poziomami struktury nadsubtelnej stanu podstawowego atomu cezu $133 | Cs$ ; ten drugi jest zaś drogą pokonywaną w próżni przez światło w ciągu $|2997192458$ sekundy.

Ma to jeszcze jedną konsekwencję. Już nigdy nie wyznaczymy dokładniej stałej Plancka, ładunku elementarnego, stałej Boltzmanna czy liczby Avogadro - będziemy mogli co najwyżej coraz dokładniej wyznaczać, czym jest kilogram, amper, kelwin i $|mol$ . Co więcej, nowe definicje odchodzą od konkretnych układów pomiarowych. Oznacza to, że jeśli w przyszłości naukowcy obmyślą nowe, dokładniejsze metody pomiarowe parametrów mikroświata, nie będzie trzeba się zastanawiać, czy jednostki fizyczne są wyznaczone z dokładnością zgodną z tymi pomiarami.

A zatem - żegnajcie, już na zawsze, wzorce z Sèvres! Fizyka jest przecież bardziej fundamentalna od jakichkolwiek obiektów rządzonych jej prawami.