Amžiaus pokyčiai: iš esmės atnaujinami matavimo vienetai

Jei mokslininkai turėtų šventenybes, tai būtų vienas iš jų: šalia Paryžiaus esančioje saugykloje akylai saugomas 137 metų amžiaus metalo cilindras. Tai prototipas, tiksliai nustatantis kilogramo masę Visatoje.

Naudodami vato svarstykles, kur grumiasi elektromagnetinė ir gravitacijos jėga, mokslininkai matuos Planko konstantos reikšmę. Ją turėdami, mokslininkai galės iš naujo apibrėžti kilogramą. Pavaizduotas vato svarstykles sukūrė Stephano Schlammingerio komanda iš NIST.<br>NIST nuotr.
Naudodami vato svarstykles, kur grumiasi elektromagnetinė ir gravitacijos jėga, mokslininkai matuos Planko konstantos reikšmę. Ją turėdami, mokslininkai galės iš naujo apibrėžti kilogramą. Pavaizduotas vato svarstykles sukūrė Stephano Schlammingerio komanda iš NIST.<br>NIST nuotr.
2018 metais septyni Tarptautinės vienetų sistemos vienetai bus apibūdinti septyniomis konstantomis. Planko konstanta apibrėš kilogramo dydį, drauge su metro ir sekundės apibrėžimais. Tie vienetai savo ruožtu priklauso nuo kitų konstantų. Sekundė apibrėžiama cezio-133 izotopo atominės būsenos šuoliais. Metras priklauso nuo sekundės ir šviesos greičio.
2018 metais septyni Tarptautinės vienetų sistemos vienetai bus apibūdinti septyniomis konstantomis. Planko konstanta apibrėš kilogramo dydį, drauge su metro ir sekundės apibrėžimais. Tie vienetai savo ruožtu priklauso nuo kitų konstantų. Sekundė apibrėžiama cezio-133 izotopo atominės būsenos šuoliais. Metras priklauso nuo sekundės ir šviesos greičio.
Daugiau nuotraukų (2)

Vytautas Povilaitis

Jan 11, 2017, 5:30 PM, atnaujinta Apr 12, 2017, 9:31 AM

Kilogramo faršo parduotuvėje masė yra tokia pati, kaip ir šio platinos ir iridžio lydinio gabalo masė.

60 kilogramų sveriančios moters masė yra 60 kartų didesnė nei šio cilindro. Netgi astronominių objektų masė lyginama su šiuo svarbiu cilindru.

Tačiau, kad ir koks svarbus, pats cilindras nėra kuo nors ypatingas, o ir jo masė nėra idealiai pastovi – įbrėžimai ir apnašos gali šiek tiek pakeisti jo masę.

Tada kilogramas faršo svertų šiek tiek mažiau ar daugiau, nei anksčiau. Skirtumas būtų pernelyg mažas, kad būtų galima pastebėti, kepant kotletus, tačiau preciziškiems moksliniams matavimams ir mažiausias masės pokytis gali tapti didele problema.

Tokia perspektyva mokslininkų nedžiugina ir jie norėtų pagrindinius vienetus – tarp kurių kilogramai, metrai ir sekundės – apibūdinti nekintamomis gamtos konstantomis.

Jei kada susisiektume su ateiviais ir palygintume matavimo sistemas, taptume visos galaktikos pajuokos objektu. S.Schlammingeris

Tad metrologai – reta mokslininkų rūšis, apsėsta tikslių matavimų – pertvarko sistemą. Netrukus savo liniuotes, svarstykles ir termometrus jie sukalibruos, naudodami fundamentalias gamtos konstantas, tokias, kaip šviesos greitis, elektrono krūvis ir kvantų mechanikos Planko konstanta. Jie jau atsikratė dirbtinio standarto, naudoto metro apibrėžimui – graviruoto platinos ir iridžio lydinio strypo. 2018 metais planuojama atsikratyti ir kilogramą apibrėžiančio cilindro.

Vienetų atnaujinimas

Fundamentalios konstantos – vieni iš tiksliausiai išmatuotų dydžių, tad, panašu, idealiai tinka apibrėžti vienetus. Tačiau pačios konstantos tebelieka paslaptingos. O būtent, smulkiosios struktūros konstanta glumina mokslininkus nuo pat tada, kai prieš 100 metų atsirado kaip svarbus dydis mokslininkų lygtyse. Kai bet kur Visatoje elektros krūvį turinčios dalelės traukia ar stumia viena kitą, savo vaidmenį vaidina ir smulkiosios struktūros konstanta, nusakanti jų tarpusavio sąveikos stiprumą. Pakeitus ją vos keliais procentais, žvaigždėse susidarytų daug mažiau anglies – visos žinomos gyvybės pagrindo. Pakeitus ją daugėliau, nesusiformuotų žvaigždės, molekulės ir atomai. Atrodo, lyg jos reikšmė tiksliai parinkta, kad Visatoje galėtų būti gyvybė.

Niekas nenutuokia, kodėl šių dydžių skaitinė reikšmė yra būtent tokia. J.Barrow

Kitas fundamentalių konstantų reikšmes irgi sunku paaiškinti – mokslininkai tegali jas matuoti.

Nauji bazinių vienetų apibrėžimai priklausys nuo tiksliai išmatuotų konstantų. Vienetų dydžiai bus apibrėžti, fiksuojant tuos matavimo vienetus apibrėžiančias konstantų reikšmes. Smulkiosios struktūros konstanta priklauso kitai kategorijai; ji neturi vienetų ir yra kitų konstantų derinys – elementaraus krūvio, Planko konstantos ir šviesos greičio.

Ši konstantų nežinomybė metrologams kelia tikrą galvasopį. Joks fizikos dėsnis nedraudžia konstantoms kisti, nors mokslininkams nepavyko rasti galinčių tai paliudyti duomenų. Tačiau kai kurie kontroversiški matavimai rodo, kad smulkiosios struktūros konstantos vertė skirtingose visatos vietose gali skirtis. Tai gali reikšti, kad vienetus apibrėžiančios konstantos irgi kinta, o tai sujauktų tvarkingą metrologinę sistemą.

Plonytis įskilimas

Ne vien kilogramas mokslininkams suka galvą, temperatūros matas – Kelvinas – irgi ramybės neduoda.

„Tai beprotybė, – sako fizikas Michaelas de Podesta iš Nacionalinės fizikos laboratorijos Teddingtone, Anglijoje. – Žmonijos temperatūros standartas yra mistiniame taške esančių molekulių makalavimosi lygis.“ Šis taškas – panašiai, kaip ir šventasis kilogramo prototipas, laisvai žmonių pasirinktas dydis – yra trigubas vandens taškas, tam tikra temperatūra ir slėgis, kuriame vienu metu vanduo gali būti kietas, skystas ir dujinis. Ši temperatūra nustatyta, kaip 273,16 Kelvinai (0,01 laipsnio Celsijaus).

O dar yra amperas, kuriuo apibūdinama elektros srovė. „Ne vienus metus kamavomės dėl ampero apibrėžimo“, – sako Barry Inglis, Tarptautino masių ir matų komiteto prezidentas. Dabartinis apibrėžimas kreivokas: tai tokia srovė, kuri, tekėdama dviem lygiagrečiais be galo ilgais ir be galo plonais laidais, esančiais vieno metro atstumu, veikia vienas kitą tam tikra jėga. Tokių laidų, aišku, neįmanoma pagaminti, tad sukurti tiksliai vieno ampero srovę tokiu būdu nepraktiška. Dėl to sunku gerai kalibruoti srovės matavimo įrangą. Namų instaliacijai tai problemų nekelia, bet kai reikia aukščiausio tikslumo, kyla bėdų.

Šie pavyzdžiai rodo fundamentaliausių mokslo matų keliamas problemas. „Tai kaip įskilimas pamate – neįmanoma fizikos pastato statyti ant tokio pamato“, – sako Stephanas Schlammingeris iš nacionalinio Standartų ir technologijos instituto Gaithersburge.

Norėdami užtaisyti įskilimą, mokslininkai 2018 metais rengiasi atnaujinti Tarptautinę matų sistemą – SI. Kilogramas, kelvinas, amperas ir molis (medžiagos kiekio vienetas) bus nustatyti iš naujo, naudojant atitinkamas konstantas. Tai Planko konstanta, aprašanti kvantinės srities mastelį; Bolcmano konstanta, susiejanti temperatūrą ir energiją; Avogadro konstanta, nustatanti vieną medžiagos molį sudarančių molekulių ar atomų skaičių; elektrono ar protono krūvio dydis, dar vadinamas elementariu krūviu. Naujieji vienetai remsis moderniu fizikos supratimu, įskaitant kvantinės mechanikos dėsnius ir Einsteino specialiojo reliatyvumo teoriją.

Panašia vienetų akrobatika mokslininkai užsiėmė ir nusakydami metrą fundamentalia konstanta – šviesos greičiu, kuris visada toks pat.

1983 metais metras tapo atstumu, kurį šviesa vakuume nuskrieja per 1/299 792 458 sekundės. Ši ilga skaičių virtinė radosi iš vis tikslesnių šviesos greičio matavimų, atliktų per šimtmečius. Mokslininkai sutarė naudoti lygiai 299 792 458 metrų per sekundę reikšmę, kuri tada apibrėžė metrą. Dabar panašai pertvarkyti bus kiti vienetai.

Toks daugelio vienetų sukrėtimas pasitaiko kartą per gyvenimą, sako NIST fizikas Davidas Newellas. Bet dauguma žmonių to nepastebės. Apibrėžimai pasikeis, tačiau kilogramo ar kelvino dydis nepakis.

Nors pokyčiai iš esmės bus neregimi, jų pranašumas bus ne vien filosofinis. Dabartinėje sistemoje tiksliai matuoti daug didesnes ar daug mažesnes už kilogramą mases sunku. Pavyzdžiui, farmacijos kompanijoms reikia operuoti mažomis vaistų dozėmis, sveriančiomis milijonus kartų mažiau, nei kilogramo prototipo cilindras, dėl to matavimo tikslumas mažesnis. Naujojoje sistemoje masė bus susieta su Planko konstanta, tad bus galima tiksliau matuoti tiek dideles, tiek ir mažas mases.

2018 metais vyksiančioje Svorių ir matų generalinėje asamblėjoje metrologai balsuos dėl SI peržiūrėjimo ir tikriausiai ją įdiegs. Naujoji sistema, tikimasi, bus sutikta palankiai. „Akivaizdu, sistema, kur paimamas metalo gabalas ir sakoma „tai yra kilogramas“ nėra itin fundamentali, – sako fizikas Richardas Davisas iš Tarptautinio svorių ir matų biuro Sèvres, Prancūzijoje. – Kodėl kas nors turėtų praleisti gyvenimą, tokiu matu matuodamas atomą?“

Naujasis kilogramas

Prieš išleisdami Paryžiaus prototipą užtarnauto poilsio, mokslininkai turi sutarti dėl skaičiaus, nusakančio Planko konstantą. Jo reikšmė yra maždaug 6,62607×10−34kg·m²/s. Bet mokslininkai privalo išmatuoti ją itin tiksliai – 2 milijonųjų procento dalių tikslumu, iki maždaug septynių vietų po kablelio ir keletas nepriklausomų matavimų turi sutapti. Kai tai bus atlikta, mokslininkai fiksuos Planko konstantos reikšmę. Kadangi metras jau apibrėžtas (šviesos greičiu), ir sekundė jau apibrėžta (naudojant cezio atominį laikrodį), Planko konstantos fiksavimas leis apibrėžti kilogramą.

Balansavimas

Planko konstantą bando nustatyti kelios komandos. Pirmoji lygina elektromagnetines jėgas su gravitacija, naudodami vato svarstykles. S.Schlammingerio grupė ir kiti jau vykdo galutinius pasirengimo tokiems matavimams darbus. Preciziškais kvantinės mechanikos metodais, kuriais kuriama įtampa, objekto masė gali būti tiesiogiai susieta su Planko konstanta.

Kiti mokslininkai Planko konstantą matuoja naudodami kruopščiai pagamintus ir blizgančius gryno silicio rutulius. „Principas gan paprastas, tiesiog skaičiuojame atomus“, – sako metrologas Horstas Bettinas iš Vokietijos Nacionalinio metrologijos instituto.

Atomai rutulyje yra idealiai išsidėstę 3D kristalo gardelėje, tad atomų skaičių galima sužinoti iš rutulio tūrio. Iš gauto rezultato, Avogadro konstantos, galima paskaičiuoti Planko konstantą, naudojant kitas fundamentalias konstantas, tarp kurių ir Rydbergo konstanta, susijusi su energija, kurios reikia vandenilio atomų jonizavimui. Kad būtų įmanoma tokius matavimus atlikti, rutuliai turi būti idealiai apvalūs, kad būtų įmanoma suskaičiuoti jame esančių atomų skaičių. „Jei Žemė būtų tokia apvali, kaip šie rutuliai, aukščiausi kalnai būtų vos kelių metrų aukščio“, – sakė H.Bettinas.

Konstantų klausimai

Įsivaizduokite Visatą, kur šviesos greitis kasdien drastiškai kinta. Jei ten būtų naudojama naujoji metrologinė sistema, šiandienos metras skirtųsi nuo rytojaus metro – tikrai ne ideali situacija. Tačiau mūsų Visatoje niekam nepavyko aptikti patikimų kintamumo įrodymų, tad, jei kintamumas egzistuoja, jis pernelyg mažas, kad turėtų praktinį poveikį matavimo vienetams.

Bet jeigu konstantos nebūtų pastovios, fizikams kiltų rūpesčių. Visa fizika remiasi dėsniais, kurie laikomi nekintamais, sako fizikas Paulas Daviesas iš Arizonos valstijos universiteto Tempe.

Fizikai aptiko galimų smulkiosios struktūros konstantos svyravimo ženklų. Jei tai tiesa, tokie matavimai rodo, kad elektringos dalelės skirtingose Visatos vietose stumdosi skirtingai.

Smulkiosios struktūros konstanta yra kelių kitų konstantų, tarp kurių elektrono krūvis, šviesos greitis ir Planko konstanta, lydinys, apjungtas į vieną trupmeną, kurios reikšmė ~1/137. Jos vertė tokia pati, nesvarbu, kokioje matavimo sistemoje, nes trupmena yra vien skaičius, be vienetų.

Mokslininkai seka smulkiosios struktūros konstantą, naudodami kvazarus – supermasyvių juodųjų bedugnių spindinčius kosmoso švyturius. Keliaudama į Žemę, šviesa eina per dujų debesis, kurie sugeria tam tikrų dažnių šviesą ir taip sukurdamos trūkius šiaip jau glotniame šviesos spektre. Šių plyšių vieta priklauso nuo smulkiosios struktūros konstantos. Plyšių kitimas erdvėje ar laike galėtų parodyti smulkiosios struktūros konstantos pokytį.

Kvazarų trūkčiojimai

2011 metais mokslininkai pranešė aptikę smulkiosios struktūros konstantos pokyčio ženklus. Astrofizikas Johnas Webbas iš Naujojo Pietų Velso universiteto Sidnėjuje su kolegomis žurnale „Physical Review Letters“ paskelbė, kad smulkiosios struktūros konstanta viena kryptimi danguje didėja, ir mažėja priešinga kryptimi, lyg per Visatą eitų ašis. Teiginys kontroversiškas ir J.Webbas priskiria save skeptikams: „Tai, žinoma, radikalu, ir padaręs tokį atradimą juo, savaime suprantama, pats netiki.“ Bet, pažymi jis, nepaisant pastangų jį paneigti, variacijos išlieka.

Jei bus patvirtintas, toks rezultatas turės labai rimtas pasekmes. „Tai mažas efektas, bet, manau, sukeltų didelį šoką, nes žmonės iš tiesų nori manyti, kad fizikos dėsniai yra visiškai nekintantys. Mintis, kad jie gali kisti, daugelį fizikų priverstų pasijusti itin nejaukiai“, – sakė P.Daviesas.

Kai kurie mokslininkai surado labiau guodžiantį konstantų kitimo užuominų paaiškinimą. Michaelas Murphy iš Swinburne Technologijos universiteto Melburne, Australijoje, sako, kad dėl smulkiosios struktūros konstantos kitimo gali būti kaltos teleskopo kalibravimo problemos. (M.Murphy šiuos matavimus žino kaip savo penkis pirštus – jis buvo 2011 metų straipsnio apie smulkiosios struktūros konstantos pokyčius bendraautorius). Naudojant matavimus be kalibravimo problemų, smulkiosios struktūros konstanta nekinta, M.Murphy su kolegomis pranešė rugsėjį „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“. Tačiau rugsėjo straipsnyje tirti kvazarai neatmeta kitimų 2011-aisiais metais stebėtoje dangaus dalyje.

Su galimu konstantų kitimu gali būti susijusios ir kitos fizikos mįslės. Mokslininkai mano, kad didžiąją dalį Visatos masės sudaro nematoma tamsioji materija. 2015 metais „Physical Review Letters“ publikuotame straipsnyje fizikai Victoras Flambaumas ir Yevgeny Stadnikas iš Naujojo Pietų Velso universiteto parodė, kad, sąveikaudama su įprasta materija, tamsioji materija gali sukelti fundamentalių konstantų pokyčius.

O kintantis šviesos greitis galėtų priversti peržiūrėti supratimą apie jaunos Visatos vystymąsi. Mokslininkai mano, kad infliacijos periodu naujai gimęs kosmosas plėtėsi itin sparčiai, sukurdamas Visatą, kuri didžiuliais atstumais yra tolygi. Toks vienodumas dera su stebėjimais: kosminio mikrobangų spinduliavimo – šviesos, atsiradusios maždaug 380000 metų po Didžiojo sprogimo – temperatūra yra beveik vienoda, kad ir kur mokslininkai žvelgtų. Bet kosmologas João Magueijo iš Imperinio Londono koledžo turi radikalią alternatyvą infliacijai: jei šviesa ankstyvojoje Visatoje buvo spartesnė, tai galėtų paaiškinti Visatos homogeniškumą.

„Padidinus ankstyvos Visatos šviesos greičio ribą atsiranda galimybė paaiškinti, kodėl Visata yra tokia, kokia yra“, – sakė J.Magueijo.

Gerai suderinta Visata

Nors daugelio fizikų lygtyse pilna fundamentaliųjų konstantų, šių dydžių tiesiogiai iš fizikos principų apskaičiuoti neįmanoma. Mokslininkai nežino, kodėl elektronai traukia įelektrintas daleles būtent tokia jėga ir tegali išmatuoti tą jėgą ir įrašyti į formules. Tokios juodosios dėžės griauna elegantiškas mokslininkų teorijas, kurios Visatą stengiasi paaiškinti nuo apačios viršun.

Ypač neramina, kad nuo tikslių šių konstantų verčių priklauso žvaigždžių ir galaktikų formavimasis. Jei, gimstant Visatai, tam tikros konstantos – o ypač smulkiosios struktūros konstanta – būtų šiek tiek kitokios, kosmosas būtų tuščias ir nykus.

Dėl to daugelis mokslininkų mano, kad turi būti gilesnė teorija, suvaržanti tų konstantų reikšmes. Tačiau tokios teorijos kūrimo pastangos buvo bergždžios, sako fizikos teoretikas Frankas Wilczekas iš MIT: „Pastaruosius kelis dešimtmečius progresas buvo gan ribotas.“

Kai kurie mokslininkai ėmė gręžtis kito paaiškinimo link: šios konstantos gali būti ne gerai suderintos, bet atsitiktinės, kauliukui riedant daugel kartų, daugelyje Visatų ar skirtingose tos pačios Visatos dalyse. „Išties pakeitėme požiūrį į fundamentalias konstantas. Jos ne tokios griežtai nubrėžtos ir galutinės“, – sakė fizikos teoretikas Johnas Barrow iš Kembridžo universiteto.

Gali būti kitų visatų, ar tolimų kišenių mūsų pačių Visatoje, kurioje konstantos visiškai kitokios. Tose vietose gyvybė gal būtų neįmanoma. Kaip kad gyvybė suklestėjo Žemėje, kur jai palankus klimatas, o ne Marse, gal tiesiog gyvename Visatoje, kurioje konstantos palankios gyvybei, nes tai vienintelė vieta, kur gyvybė gali įsikurti.

Randasi vis daugiau neatitikimų tarp to, kas patikrinama eksperimentiškai ir kas žinoma teoriškai apie konstantas. Nors mokslininkai matuoja jas neįsivaizduojamai tiksliai, eksperimentais, kur paklaida matuojama milijardinėmis dalimis, konstantų kilmė lieka visiškai nepaaiškinama.

Metrologams stengiantis pastatyti sistemą ant stipresnio pagrindo, susiejančio vienetus su konstantomis, tie patys pamatai dar gali pajudėti. Jei konstantos kinta, naujoji vienetų sistema atrodytų ne tokia jau patraukli. Vienetų sistema turės vystytis drauge su fizikos pažanga, sako D.Newellas. „Tada galima atsigręžti ir panaudoti tą matų sistemą tolesniam aplinkinio pasaulio tyrinėjimui“, – sakė jis.

UAB „Lrytas“,
A. Goštauto g. 12A, LT-01108, Vilnius.

Įm. kodas: 300781534
Įregistruota LR įmonių registre, registro tvarkytojas:
Valstybės įmonė Registrų centras

lrytas.lt redakcija news@lrytas.lt
Pranešimai apie techninius nesklandumus pagalba@lrytas.lt

Atsisiųskite mobiliąją lrytas.lt programėlę

Apple App Store Google Play Store

Sekite mus:

Visos teisės saugomos. © 2024 UAB „Lrytas“. Kopijuoti, dauginti, platinti galima tik gavus raštišką UAB „Lrytas“ sutikimą.