Warum haben wir immer noch keine genaue (auf Konstanten basierende) Definition für ein Kilogramm?

Das Kilogramm wird durch einen Prototyp (das „International Prototype Kilogram“, IPK) definiert – im Grunde ist ein Kilogramm per Definition die Masse eines Metallzylinders, der in einem Tresor in Paris steht. Die Leute haben eine Reihe anderer Metallblöcke mit fast genau der gleichen Masse (so nahe wie möglich) hergestellt, die als "Schwesterkopien" bezeichnet werden. Um eine Masse extrem genau in Kilogramm zu messen, müssen Sie entweder das IPK oder eines seiner Schwesterexemplare in die Hände bekommen und damit Ihre supergenaue Waage kalibrieren.

Es gibt einen alternativen Ansatz, der später verwendet werden soll. Um ein Kilogramm zu messen, benötigen Sie eine Wattwaage, die mithilfe des Quanten-Hall-Effekts und des Josephson-Effekts kalibriert ist, sowie eine genaue Messung der lokalen Erdbeschleunigung.

Der zweite Ansatz scheint gefälliger als der erste, wird aber [noch] nicht verwendet. Warum? (1) Der erste Ansatz ermöglicht tatsächlich eine deutlich höhere Präzision und Reproduzierbarkeit. Wer hätte gedacht, dass eine altmodische Waage mit so vielen signifikanten Zahlen messen kann oder dass ein Metallzylinder über viele Jahre hinweg fast genau dieselbe Masse behalten kann? (Nun, es behält nicht wirklich genau beidie gleiche Masse, einer der Gründe für einen eventuellen Wechsel.) Aber das ist der Fall. Es ist bisher unmöglich, eine Wattwaage mit so vielen signifikanten Stellen der Massenmessgenauigkeit wie der Prototyp-Ansatz herzustellen. (2) Eine Wattwaage ist nicht einfach etwas, das irgendein altes Labor herstellen kann, Sie brauchen jahrelange Mühe und Millionen von Dollar. Selbst das Tragen eines Widerstands durch einen Flur kann seinen Widerstand so stark verändern, dass die Genauigkeit der Wattbalance durcheinander gebracht wird. Wenn der Watt-Waage-Standard eingeführt wird, bezweifle ich, dass die Anzahl der Orte auf der Erde, an denen Massen supergenau gemessen werden können, höher sein wird als heute.

Soweit ich weiß, wird die geschaltete Definition superpräzise elektrische Messungen viel einfacher machen. Dieser Vorteil soll den Nachteil aufwiegen, dass Massen in Kilogramm nicht mehr so ​​genau wie bisher gemessen werden können.

Ich bin kein Experte, sorry für eventuelle Fehler.

Noch nicht, aber bald.

Als diese Frage im Jahr 2012 gestellt wurde, hatte der Prozess der Neudefinition des SI-Einheitensystems gerade erst begonnen: Er wurde offiziell durch die CGPM-Resolution im Jahr 2011 gestartet und der aktuelle Zeitplan (pdf) ist auf dem Weg zu einer offiziellen Neudefinition im Jahr 2018. Die Wikipedia-Seite zu den vorgeschlagenen Neudefinitionen hat eine gute Einführung und die Frage Was sind die vorgeschlagenen Realisierungen im Neuen SI für Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol? enthält viele Details darüber, was die Neudefinitionen in der Praxis tatsächlich bedeuten werden.

Insbesondere wird das Kilogramm als Masseneinheit so definiert, dass die Plancksche Konstante einen genauen Wert von hat$h=6.626\,069\,\mathrm{X} \times 10^{-34}\:\mathrm{J\:m^2s^{-2}}$(wobei die Endziffern$\mathrm{X}$, wird zum Zeitpunkt der Neudefinition im Jahr 2018 festgelegt). Dies lässt es Experimentatoren offen, ihre eigenen Massenstandards zu implementieren (und tatsächlich befreit es andere Größen von einer strikten Abhängigkeit vom Massenstandard selbst, sodass Sie im Prinzip einen Standard für Drehmoment oder Druck erstellen könnten, sagen wir das nicht direkt von einem Massenstandard abhängen), aber die hauptsächlich vorgeschlagene Implementierung ist die Wattbilanz, die ungefähr so ​​aussieht,

^{Bildquelle: arXiv:1412.1699 , die auch beschreibt, wie man eines davon aus LEGO baut. Lustiges Video wie es funktioniert .}

und die ausführlicher in der Implementierungsfrage und den darin enthaltenen Referenzen erörtert wird.

Es gab einen alternativen Ansatz, das Avogadro-Projekt , basierend auf der Herstellung einer großen glänzenden Kugel aus einer genau bekannten Anzahl von Siliziumatomen, und es wäre durch feste Werte der Avogadro-Konstante und der Masse des ²⁸ Si-Atoms gegangen. Dieses Projekt wurde jedoch für eine Neudefinition des Maulwurfs beiseite gelegt, und die Wattwaage ist die wichtigste vorgeschlagene mise en pratique für den Kilogrammstandard.

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Was die Frage selbst angeht, ist die Frage, warum es so lange gedauert hat, für mich meistens ein bisschen unwichtig. Metrologen waren mit anderen Dingen beschäftigt, und eine artefaktbasierte Definition an sich ist zumindest konzeptionell nicht so problematisch. Die Metrologie ist eine sehr pragmatische Wissenschaft, und das Ziel ist es, saubere, reproduzierbare und genaue Messungen für so viele Größen zu haben, wie in der modernen Wissenschaft benötigt werden, und konzeptionelle Sauberkeit tritt dort etwas in den Hintergrund. Es gibt tatsächlich zwei triftige Gründe für eine Änderung der Standards hin zu einer auf Konstanten basierenden Definition.

• Einer ist, wenn der Standard driftet, wie es bei der Sonnensekunde passiert ist, die eine Abrissbirne für die Reproduzierbarkeit von Experimenten bei Genauigkeiten jenseits der Driftrate ist.

• Die andere ist, wenn die auf Konstanten basierenden Definitionen wesentlich genauer und stabiler sind als die auf Artefakten basierende messtechnische Kette, wie dies beim Meter im Jahr 1960 der Fall war, als die begrenzende Unsicherheit in der Entfernung zum Mond beispielsweise die Unsicherheit im Messgerät war Standard.

Beide Faktoren sind heute für das Kilogramm relevant, aber erst seit kurzem relevant.

• Das aktuelle SI-Kilogramm driftet tatsächlich (wahrscheinlich!), wie im Wikipedia-Artikel zur Stabilität der IPK-Masse erläutert . Dies bedeutet, dass eine gut kalibrierte Messung einer Masse von 1 kg heute nicht reproduzierbar mit der exakt gleichen Messung vergleichbar ist, die vor fünfzig Jahren durchgeführt wurde, oder zumindest nicht darüber hinaus${\sim}10\:\mathrm{\mu g}$Skala. Außerdem betrifft dies alle Messungen, die metrologisch vom Massennormal abhängen, also alle Messungen, deren bloße SI-Ausdrücke das Kilogramm beinhalten. Das ist... nicht toll.

  Dies ist jedoch ein Problem, aber es ist kein großes Problem. Das Kilogramm ist in der Waage grob abgedriftet${\sim}10\:\mathrm{\mu g}$über ein Jahrhundert, was bedeutet, dass es eine Stabilität in der Größenordnung von hat$10^{-10}\textrm{ yr}^{-1}$, was eigentlich gar nicht so schlimm ist. Es ist wahrscheinlich an der Zeit, es zu ändern, aber es gibt nicht so viele kg-abhängige Messungen bis zu zehn signifikanten Stellen, die viel älter als ein oder zwei Jahrzehnte sind.

• Es gibt jetzt genauere und stabilere Methoden zur Bestimmung der Masse, aber diese sind sehr neu. Es stellt sich als schwierig heraus, Messungen der Planckschen Konstante mit diesem Grad an Genauigkeit und Stabilität zu entwerfen, und nur mit der Technologie des 21. Jahrhunderts ist es uns gelungen, die Lücke zu schließen.

  Außerdem erweisen sich Old-School-Waagen als überraschend genau. Wie dmckee in einem Kommentar erwähnte , war es sogar im 19. Jahrhundert möglich, messende Analysenwaagen zu bauen${\sim}100\:\mathrm{\mu g}$Unterschiede zwischen${\sim}2 \:\mathrm{ kg}$Massen, dh bis auf etwa sieben signifikante Stellen. Die Metrologie verbrachte einen Großteil des 20. Jahrhunderts damit, diese Technologie zu verbessern und sie auf andere mechanische Größen zu übertragen. Die IPK-basierte Messtechnik ist ein beeindruckendes Gebäude, das es zu ersetzen gilt (und tatsächlich kann ein Großteil davon durchaus in Gebrauch bleiben, wobei sich nur der primäre Standard mit der Neudefinition ändert, die sekundären und tertiären Schichten jedoch nicht betroffen sind).

Nun, diese Gründe kippen das Gleichgewicht (har, har) in Richtung der Änderung, aber es erklärt auch, warum es keine große Priorität hat. Metrologielabore investieren in die Forschung zu Dingen wie Wattwaagen, weil sie genauere und stabilere Standards wollen, nicht weil es konzeptionell „ziemlich wichtig“ ist, eine auf Konstanten basierende Definition zu haben. Eine Investition in der Größenordnung des LHC (oder auch nur ein kleiner Bruchteil davon) war noch nicht gerechtfertigt, da die Metrologie so gut lief. Änderungen werden jetzt vorgenommen, aber sie sind langsam, weil die Metrologie eine langsame Wissenschaft ist, die eine Vereinbarung zwischen mehreren verschiedenen Ansätzen und Labors erfordert, bevor etwas in Stein gemeißelt wird.