Med hjälp av en toppmodern enhet för att mäta massa, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har gjort sin mest exakta bestämning ännu av Plancks konstanta, ett viktigt värde inom vetenskapen som hjälper till att omdefiniera kilogrammet, den officiella massenheten i SI, eller ett internationellt enhetssystem. Godkänd för publicering i tidningen Metrologia , dessa nya resultat kommer före den 1 juli internationella tidsfristen för mätningar som syftar till att omdefiniera hela SI i termer av grundläggande naturkonstanter.

Den nya NIST-mätningen av Plancks konstant är 6,626069934 x 10- ³⁴ kg-m ² /s, med en osäkerhet på bara 13 delar per miljard. NIST:s tidigare mätning, publicerad 2016, hade en osäkerhet på 34 delar per miljard.

Kilogrammet definieras för närvarande i termer av massan av en platina-iridium-artefakt lagrad i Frankrike. Forskare vill ersätta denna fysiska artefakt med en mer reproducerbar definition för kilogrammet som är baserat på grundläggande naturkonstanter.

Plancks konstant gör det möjligt för forskare att relatera massa till elektromagnetisk energi. För att mäta Plancks konstant, NIST använder ett instrument som kallas Kibble -balansen, ursprungligen kallad wattbalans. Fysiker antog allmänt det nya namnet förra året för att hedra den avlidne brittiske fysikern Bryan Kibble, som uppfann tekniken för mer än 40 år sedan.

NIST:s Kibble -balans använder elektromagnetiska krafter för att balansera en kilogram massa. De elektromagnetiska krafterna tillhandahålls av en trådspole som ligger mellan två permanentmagneter. Kibble -balansen har två driftsätt. I ett läge, en elektrisk ström går genom spolen, genererar ett magnetfält som interagerar med det permanenta magnetfältet och skapar en uppåtriktad kraft för att balansera kilogrammassan. I det andra läget, spolen lyfts med en konstant hastighet. Denna rörelse uppåt inducerar en spänning i spolen som är proportionell mot magnetfältets styrka. Genom att mäta strömmen, spänningen och spolens hastighet, forskare kan beräkna Planck -konstanten, som är proportionell mot mängden elektromagnetisk energi som behövs för att balansera en massa.

Det finns tre stora orsaker till förbättringen av de nya mätningarna, sa fysikern Stephan Schlamminger, ledare för NIST -insatsen.

Först, forskarna har mycket mer data. Det nya resultatet använder 16 månaders mätningar, från december 2015 till april 2017. Ökningen av experimentell statistik minskade kraftigt osäkerheten i deras Planck -värde.

För det andra, forskarna testade för variationer i magnetfältet under båda driftsätten och upptäckte att de hade överskattat den påverkan spolens magnetfält hade på det permanenta magnetfältet. Deras efterföljande justering i deras nya mätningar både ökade deras värde på Plancks konstant och minskade osäkerheten i deras mätning.

Till sist, forskarna studerade i detalj hur hastigheten på den rörliga spolen påverkade spänningen. "Vi varierade hastigheten som vi flyttade spolen genom magnetfältet, från 0,5 till 2 millimeter per sekund, "förklarade Darine Haddad, huvudförfattare till NIST -resultaten. I ett magnetfält, spolen fungerar som en elektrisk krets som består av en kondensator (ett kretselement som lagrar elektrisk laddning), ett motstånd (ett element som sprider elektrisk energi) och en induktor (ett element som lagrar elektrisk energi). I en rörlig spole, dessa kretsliknande element genererar en elektrisk spänning som förändras med tiden, sa Schlamminger. Forskarna mätte denna tidsberoende spänningsförändring för att ta hänsyn till denna effekt och minskade osäkerheten i deras värde.

Denna nya NIST -mätning går med i en grupp andra nya Plancks ständiga mätningar från hela världen. En annan Kibble -balansmätning, från National Research Council of Canada, har en osäkerhet på bara 9,1 delar per miljard. Två andra nya mätningar använder den alternativa Avogadro -tekniken, vilket innebär att man räknar antalet atomer i en ren kiselsfär.

De nya mätningarna har så låg osäkerhet att de överstiger de internationella kraven för omdefiniering av kilogrammet när det gäller Plancks konstant.

"Det behövdes tre experiment med osäkerheter under 50 delar per miljard, och en under 20 delar per miljard, "Sade Schlamminger." Men vi har tre under 20 delar per miljard. "

Alla dessa nya värden för Plancks konstant överlappar inte varandra, "men överlag är de överraskande bra överens, "Sa Schlamminger, "särskilt med tanke på att forskare mäter det med två helt olika metoder." Dessa värden kommer att lämnas in till en grupp som kallas CODATA före den 1 juli. KODATA kommer att överväga alla dessa mätningar för att ställa in ett nytt värde för Plancks konstant. Kilogrammet är avsett att omdefinieras i november 2018, tillsammans med andra enheter i SI.

Innan de började dessa experiment, Schlamminger och hans grupp gick till lunch i december 2013. På en lunchservett, varje gruppmedlem skrev sin förutsägelse om värdet av Plancks konstant som gruppen skulle bestämma genom sina mätningar. De gömde den här servetten under deras Kibble -balans för nästan fyra år sedan, och de har nu jämfört förutsägelserna. Shisong Li, en gästforskare från Tsinghua University i Kina, kom närmast. Hans förutsägelse skilde sig bara med cirka 5 delar per miljard från det uppmätta resultatet. Det finns inget ord om hur laget planerar att fira vinnarens gissning.