World's Roundest Object!

Summary

Dieses Video skizziert die Geschichte und Bedeutung des Kilogramms in der SI-Einheitensystematik. Es erzählt von der Herstellung eines perfekten, glatten Siliziumkugels, der als Teil eines Bemühens dient, den Kilogramm zu definieren, ohne auf physische Objekte angewiesen zu sein. Es wird erklärt, wie die Kugel die Anzahl der Silizium-28-Atome enthält, was zur Neudefinition der Avogadro-Konstante führen könnte, und somit den Kilogramm als Konzept und nicht als physisches Objekt definieren würde. Der Prozess der Kugelherstellung, der Messung ihrer Rundheit und der Bedeutung für die Wissenschaft werden aufgezeigt. Zudem wird die mögliche Veränderung der Kilogramm-Definition durch die Plancks Konstante oder das Watt-Gleichgewicht diskutiert.

Takeaways

• 🤲 Das Skript handelt von der Erfahrung, einen 1 kg schweren Silizium-28-Kugel zu halten, die als das rundeste Objekt der Welt gilt.
• 🔢 Die Kugel enthält etwa 2,15 x 10^25 Silizium-28-Atome, was ihre einzigartige Bedeutung im Rahmen des SI-Einheitensystems unterstreicht.
• 💰 Die ursprüngliche Materialkosten für die Herstellung der Kugel beliefen sich auf 1 Millionen Euro, was ihre wirtschaftliche Wertschätzung betont.
• 🏺 Die Kugel ist ein Symbol für die Präzision und das Streben nach der Perfektion in der Wissenschaft und Technologie.
• 📏 Die Diskussion um die Definition des Kilogramms zeigt die Herausforderungen auf, die mit der Verwendung eines physischen Objektes als Masseinheit verbunden sind.
• 🔍 Die Geschichte des Kilogramms, von der Definition als das Gewicht eines Kubikdecimeters Wasser bis zur heutigen Platin-Iridium-Alloy-Referenz, wird detailliert dargestellt.
• 🔑 Die Bedeutung des Internationalen Prototyp-Kilogramms (Le Grand K) als einzige physikalische Referenz für die SI-Einheit des Kilogramms wird betont.
• 🌐 Die Diskrepanz zwischen den Massen der verschiedenen Kilogramm-Replikate und dem Original zeigt die Instabilität physischer Massestandards über die Zeit.
• 🔬 Die Notwendigkeit, das Kilogramm von seiner physischen Definition zu befreien, wird durch die Einführung von Avogadros Konstante und der Verwendung der Siliziumkugel als Alternative hervorgehoben.
• 📉 Die Abhängigkeit von anderen SI-Einheiten und abgeleiteten Einheiten wie Newton, Joule, Volt und Watt vom Kilogramm unterstreicht die Dringlichkeit der Neudefinition.
• 🌐 Die internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die zur Schaffung der Siliziumkugel führte, wird als Beispiel für gemeinsame wissenschaftliche Bemühungen gewürdigt.
• 🔮 Die Aussicht auf eine Neudefinition des Kilogramms, entweder durch die Fixierung von Avogadros Konstante oder durch die Verwendung eines Watt-Waagens, zeigt die Fortschritte in der wissenschaftlichen Messtechnik.

Q & A

Was ist das rundeste Objekt der Welt?

Das rundeste Objekt der Welt ist ein 1 kg schwerer Silizium-28-Kugel, die mit einer Genauigkeit von bis zu 14 Metern höchsten Berges zu tiefstem Tal gemessen wurde.

Wie viele Silizium-28-Atome enthält die Kugel?

Die Kugel enthält etwa 2,15 x 10^25 Silizium-28-Atome.

Was ist der wert der Silizium-28-Kugel?

Die Silizium-28-Kugel ist unbezahlbar, da sie als Referenz für die Neudefinition des Kilogramms dienen soll.

Welche Rolle spielt die Kugel im丈bergang vom Kilogramm als physikalischem Objekt zu einer Konzeptdefinition?

Die Kugel wird genutzt, um die Avogadro-Konstante zu definieren, indem man die Anzahl der Atome in der Kugel zählt und dann den Kilogramm als Masse von 2,15 x 10^25 Silizium-28-Atomen definiert.

Was war der ursprüngliche Grund für die Schaffung des Kilogramms?

Der Kilogramm wurde ursprünglich als das Tausendfache des Gravs, einer alten Einheit der Masse, geschaffen, um ein stabiles Masseinheit für das metrische System zu haben.

Was ist das Internationale Prototyp-Kilogramm (Le Grand K)?

Das Internationale Prototyp-Kilogramm, auch bekannt als Le Grand K, ist ein Platin-Iridium-Zylinder, der als Definition des Kilogramms dient und im Internationalen Bureau of Weights and Measures in Paris aufbewahrt wird.

Welche Probleme gab es mit der physikalischen Definition des Kilogramms?

Die physikalische Definition des Kilogramms ist instabil, da die Masse von Le Grand K und seinen Replikaten im Laufe der Zeit divergiert ist, was zu einer Unsicherheit in der Masseeinheit führt.

Was ist die Bedeutung von Avogadros Konstante in Bezug auf die Neudefinition des Kilogramms?

Avogadros Konstante ist die Anzahl der Atome in 12 Gramm Kohlenstoff-12. Durch die Verwendung der Silizium-28-Kugel könnte die Avogadro-Konstante fixiert werden, was dann den Kilogramm definieren würde.

Was ist ein Watt-Bilanzierpendel und wie könnte es zur Neudefinition des Kilogramms beitragen?

Ein Watt-Bilanzierpendel ist ein Gerät, das Plancks Konstante misst und als alternative Methode zur Neudefinition des Kilogramms in Erwägung gezogen wird. Es bietet eine unabhängige Überprüfung zur Methode mit der Silizium-28-Kugel.

Wie wurde die Kugel so rund gemacht?

Die Kugel wurde durch progressives Schleifen und Abrichten einer zu großen Kugel hergestellt, wobei die Atome auf atomarer Ebene kontrolliert wurden.

Wie wurde der Durchmesser der Kugel gemessen?

Der Durchmesser wurde mit einem Laser gemessen, indem die Kugel in der Mitte einer Hohlform platziert wurde und der Laser den Abstand zwischen den beiden Seiten misst.

Outlines

00:00

🔬 Die Suche nach der perfekten Kugel

Dieses Kapitel handelt von einer 1kg schweren Siliziumkugel, die als das rundeste Objekt der Welt gilt. Sie enthält etwa 2,15 x 10^25 Silizium-28-Atome und ist so wertvoll, dass sie als unbezahlbar gilt. Der Ursprung des Kilogramms als SI-Einheit wird erläutert, einschließlich der Geschichte hinter dem 'grave', der Vorläufer des Kilogramms. Die physikalische Präzision der Kugel wird betont, und es wird gefragt, warum so viel Wert auf die Perfektion eines Silizium-Kugels legt wurde.

05:02

📏 Die Bedeutung der Präzision im Maßsystem

Dieses Kapitel erläutert die Herausforderungen, die mit der physischen Definition des Kilogramms verbunden sind. Es wird beschrieben, wie das Internationale Prototyp-Kilogramm (Le Grand K) und seine Schwesternstücke über die Jahre eine Massendivergenz aufwiesen, was die Notwendigkeit einer stabilen Masseneinheit aufzeigt. Die Abhängigkeit anderer SI-Einheiten vom Kilogramm wird hervorgehoben, und die Idee, den Kilogramm durch die Anzahl der Atome in der Siliziumkugel zu definieren, wird eingeführt.

10:04

🔬 Die Neudefinition des Kilogramms

Dieses Kapitel konzentriert sich auf die Bemühungen, den Kilogramm unabhängig von einem physischen Objekt zu definieren. Es wird erklärt, wie die Anzahl der Atome in der Siliziumkugel verwendet werden kann, um die Avogadro-Konstante zu definieren und damit indirekt den Kilogramm zu definieren. Die Möglichkeit, den Kilogramm durch Plancksches Wirkungsquantum mit einem Watt-Balance neu zu definieren, wird ebenfalls diskutiert, und es wird auf die internationale Zusammenarbeit hingewiesen, die hinter der Schaffung der Siliziumkugel steht.

Keywords

💡Silicium-28

Silicium-28 ist ein Isotop des Elements Silicium, das in dem Video als Material für die Kugelschale verwendet wird. Es ist von besonderem Interesse, weil es eine reine Substanz ohne Leerstellen oder Versetzungen ist, was es zu einem idealen Kristall macht. Dies ermöglicht eine präzise Berechnung der Anzahl der Atome in der Kugel, was für die Neudefinition des Kilogramms entscheidend ist.

💡Kugelschale

Die Kugel ist das zentrale Objekt im Video und wird als das rundeste Objekt der Welt beschrieben. Sie ist signifikant, weil ihre perfekte Form und Größe es ermöglichen, die Anzahl der Silicium-28-Atome zu bestimmen, was für die Neudefinition des Kilogramms verwendet werden kann. Die Kugel wird aus einem überdimensionalen Silicium-Kristall geschliffen, bis sie ihre endgültige Form erreicht.

💡Kilogramm

Das Kilogramm ist eine der sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI) und wird im Video in Bezug auf seine Definition und seine Geschichte behandelt. Traditionell war das Kilogramm als Platin-Iridium-Zylinder definiert, der als 'Le Grand K' bekannt ist. Das Video diskutiert die Probleme, die mit dieser physischen Definition verbunden sind, und wie die Verwendung der Silicium-Kugel dazu beitragen könnte, das Kilogramm als Konzept statt als physisches Objekt zu definieren.

💡Avogadros Konstante

Avogadros Konstante ist eine fundamentale physikalische Konstante, die die Anzahl der Atome in einer Mol einer Substanz angibt. Im Video wird gezeigt, wie die Anzahl der Silicium-28-Atome in der Kugel verwendet werden könnte, um Avogadros Konstante zu definieren und damit indirekt das Kilogramm zu definieren, was die Abhängigkeit von einem physischen Objekt beenden würde.

💡Grave

Der Begriff 'Grave' stammt aus der lateinischen Wurzel 'gravitas' für Gewicht und war ursprünglich der Name der Basiseinheit der Masse im metrischen System. Im Video wird erläutert, wie der Name 'Grave' durch 'Gramm' ersetzt wurde, was später durch das Kilogramm abgelöst wurde, was eine tausendstel des Graves war.

💡Le Grand K

Le Grand K, oder 'Big K', ist die liebevoll benannte Version des Internationalen Prototyp-Kilogramms, das als physikalische Definition für das Kilogramm dient. Im Video wird beschrieben, wie es in einem Tresor in Paris aufbewahrt wird und wie es die einzige physikalische Definition für eine SI-Einheit ist.

💡Platin-Iridium-Legierung

Die Platin-Iridium-Legierung wird im Video als Material für die Herstellung des Internationalen Prototyp-Kilogramms erwähnt. Es wurde gewählt, weil es harter als Platin ist und die Masse des Kilogramms über die Zeit stabil halten sollte. Jedoch zeigte es sich, dass die Masse der Platin-Iridium-Zylinder tatsächlich über die Zeit verändert werden kann.

💡Watt-Balance

Die Watt-Balance ist ein Gerät, das im Video als alternative Methode zur Neudefinition des Kilogramms erwähnt wird. Es verwendet Plancks Konstante, um die Masse zu messen und könnte eine unabhängige Bestätigung für die Silicium-Kugel-Methode bieten, um das Kilogramm zu definieren.

💡Antoine Lavoisier

Antoine Lavoisier war ein französischer Chemiker und eine zentrale Figur im Video, der sowohl an der Definition des Original-Kilogramms als auch an der Entdeckung von Silicium als Element beteiligt war. Sein Beitrag zur Schaffung des metrischen Systems und zur Chemie wird anerkannt, obwohl er auch durch politische Umstände während der Französischen Revolution getroffen wurde.

💡Systeme International d'unites

Das Systeme International d'unites, kurz SI, ist das internationale Einheitensystem, das im Video in Bezug auf die Definition der Basiseinheiten und die Neudefinition des Kilogramms diskutiert wird. Es ist das weltweit anerkannte System für Maßeinheiten in Wissenschaft und Technologie.

Highlights

Eine Person hält einen 1kg Kugelschrein aus Silizium-28 Atomen, welcher ungefähr 2,15x10^25 Atome enthält.

Der Kugelschrein ist wertvoll und hat eine einzigartige Bedeutung für das Masseinheit des Kilogramms.

Der Kugelschrein ist das rundeste Objekt der Welt, was durch seine Präzision und Perfektion hervorgehoben wird.

Die Diskussion über die Definition des Kilogramms und seine historischen Veränderungen im metrischen System.

Die Geschichte des Kilogramms, vom 'Grave' bis zur heutigen Definition durch das Internationale Prototyp-Kilogramm.

Die Herausforderungen und die Bedeutung der Stabilität von Masseinheiten im Kontext der SI-Einheiten.

Die Problematik der physischen Veränderung des Internationalen Prototyp-Kilogramms und seine Auswirkungen auf die Masseinheit.

Die Bedeutung der Avogadro-Konstanten und ihre Beziehung zum Kilogramm und der Carbon-12 Basisdefinition.

Die Idee, das Kilogramm durch die Anzahl der Atome in einer Siliziumkugel zu definieren, anstatt durch ein physisches Objekt.

Die Herstellung und Präzision der Siliziumkugel, die für die Neudefinition des Kilogramms verwendet werden soll.

Die Methode zur Bestimmung des Durchmessers der Siliziumkugel mittels Lasermessung.

Die Beziehung zwischen der Siliziumkugel, Avogadro-Konstanten und der Neudefinition des Kilogramms.

Die Diskussion über die mögliche Neudefinition des Kilogramms und die damit verbundenen technologischen und theoretischen Herausforderungen.

Der Vergleich zwischen der Siliziumkugel-Methode und der Planck'schen Konstanten-Methode zur Neudefinition des Kilogramms.

Die Bedeutung der internationalen Zusammenarbeit der Wissenschaftler für die Schaffung der Siliziumkugel.

Die ironische Beteiligung von Antoine Lavoisier an der Definition des Kilogramms von Anfang an.

Die Aussicht auf die endgültige Neudefinition des Kilogramms und die damit verbundenen Erwartungen und Implikationen.

Transcripts

Can I hold it?

Only if you promise to be really, really careful.

I promise I will be so incredibly careful. I will be incredibly careful with it. I promise.

So, it's slippery, be careful. Alright, are we ready?

I'm about to touch a 1kg sphere of silicon-28 atoms. There are about 2.15x10^25 of them.

It feels absolutely incredible. Wow, that is amazing.

Besides its creators, I am one of only a handful of people ever to hold this sphere.

The raw material used to make it was worth 1 million Euros but now that it has been so

precisely sculpted --

How much is that worth?

It's priceless. ... This you are looking at now is the roundest object in the world.

How can you say for sure it's the roundest object? I mean the Earth is pretty round,

isn't it? If this was the Earth...

If this were the Earth then the highest mountain to the lowest valley would be... about 14m

apart.

That is shocking. That is shockingly round.

But why would you invest one million Euros and thousands of man-hours perfecting a pure,

polished silicon sphere?

Well the answer is grave. Or rather 'grave' as it would have been pronounced in the original

French.

You see the grave was the original name for the base unit of mass in the metric system,

which became the Systeme International d'unites or SI units. In 1793, a commision which included

notable scientist and aristocrat Antoine Lavoisier, defined the base unit of mass as the weight

of a cubic decimeter of water at the melting temperature of ice -- essentially just a litre

of ice water. The name grave came from the Latin gravitas, meaning weight.

But it wasn't to last. It sounded too similar to the aristocratic title 'graf' -- which

is the equivalent of an earl or a count. And with the French revolution in full swing with

the rallying cry of equality for all, you couldn't exactly have one unit nobler than

the others. At this Lavoisier lost his head, literally, not because he helped devise one

of the greatest systems of measurement of all time, but because he was collecting taxes

as a nobleman.

So things really were grave.

The new republican government believed a grave would be too big for the things they wanted

to measure anyway and and so they settled on the gramme, which was just a thousandth

of the grave.

But soon they realized that a gram was too small and so they returned to the grave, but

since they couldn't call it that, they invented the kilogram -- a thousand grams. And that

is why out of the seven base SI units, the kilogram is the only one to have a prefix

in its name.

In 1799 the kilogram definition was refined to be the mass of a litre of water at 4 degrees

Celcius -- the temperature at which it is densest. But water itself is obviously not

the most sensible thing to use as a mass standard. So a pure platinum cylinder was created to

have the same mass as the water definition and it was declared Kilogram of the Archives.

Now it's important to note at this point the kilogram is no longer tied to the mass of

a volume of water -- the kilogram of the archives is by definition THE kilogram.

90 years later, in 1889 the kilogram was upgraded to a platinum-iridium alloy cylinder. Now

it was much harder than the original but was otherwise basically identical. And to this

day, it remains the definition of the kilogram. It is officially called the International

Prototype Kilogram, though it's affectionately known as Le Grand K -- or Big K. Oh, and it's

about this big...

It is the only thing in the entire universe with a mass of exactly one kilogram because

it IS the kilogram. It is also the only SI unit that is still defined by a physical object.

It sits under three bell jars, next to six sister kilograms, in a climate-controlled

vault locked by three independently controlled keys, in the basement of the International

Bureau of Weights and Measures on the outskirts of Paris.

Now if you were able to break into the vault and tamper with Big K, you would be changing

the definition of the kilogram, a definition on which many of our measurements rely, and

so you would throw the world into chaos! Well no, not actually-- but how would anyone ever

know if the mass of Big K changed?

Well when it was first created, 40 identical replicas were also made. Well they weren't

quite identical - they had a mass which was slightly different to Big K but those offsets

were recorded. Now these replicas were sent out to countries around the world to serve

as their national standards.

In 1948 the kilograms were reunited for a weigh-in. And this is when the problems started.

Because even though all the cylinders were made of the same alloy and stored under virtually

the same conditions, their masses had diverged over time. The mass of Big K wasn't even the

same as the six sister cylinders stored with it. And to make matters worse when they were

brought together again forty years later, their masses had further diverged, up to about

50 micrograms - that's about the weight of a fingerprint. But fingerprints were not the

culprits since the kilograms were carefully washed before their weigh-ins.

So some physical process must have actually changed the mass of the cylinders, but how

that exactly works remains a matter of speculation. One this is for certain, the mass of a platinum-iridium

cylinder is not stable over time. And this is a big problem. You can't have a unit which

changes its value. And the fallout isn't limited to measurements

of mass since of the seven base SI units, four of them depend on the mass of the kilogram,

not to mention all the derived units like Newtons, Joules, Volts and Watts.

At this point those of you in countries that have not adopted the metric system--yes I'm

speaking to you Liberia, Burma, and the US--you may be feeling rather smug that your unit

of mass, the avoirdupois pound, is no longer defined by a physical object. No, instead

it is defined as precisely 0.45359237

kilograms. Sucked in.

So clearly something needs to be done to eliminate the kilogram's dependence on a physical object

and this is where the silicon sphere comes in, but how exactly does that help?

Here you have a physical object and it's beautiful but you know it's still a physical object.

You're trying to get away from that. We're trying to get away from the physical

object but what we're doing with this particular object is counting how many atoms are in there.

You can't actually count how many are in there can you?

You can't count how many are in there but you can calculate how many are in there because

this material is silicon, there's no voids or dislocations.

So this is like a perfect crystal of silicon. That's right.

Not only is it pure silicon, it contains only one isotope of silicon, silicon-28, and that

explains why the original material was so expensive.

And why a sphere? Well, a sphere is a pretty simple object.

If you know the diameter of the sphere you can characterise the entire dimension of the

object. Well that explains why the sphere has to be

the roundest object ever created, but how do you actually make something that round?

We actually start with an oversized sphere. So it was about two millimetres larger in

diameter and then we just grind it progressively finer and finer using abrasive. It's actually

massaging atoms. You're down at that level of trying to control the shape of an object

down at the atomic level. But making the sphere is only half the battle,

then you need to accurately measure its diameter. The diameter is actually measured via a laser.

So you're actually measuring having the sphere in the centre of a cavity and a laser is hitting

both sides and you're actually measuring the gap.

By knowing the diameter you can determine its volume. And since the atom spacing in

silicon is known to high precision, you can the calculate how many atoms make up the sphere.

This allows you to redefine Avogadro's constant. At the moment, Avogadro's constant is defined

based on the kilogram. It is equal to the number of atoms in twelve grams of carbon

12. But using this approach, the number of silicon atoms in the sphere would be used

to fix Avogadro's constant, which would then define the kilogram.

So even if the silicon spheres were lost or damaged, it would have no effect on the definition

of the kilogram because it would be defined not by a physical object but by a concept.

You would like to see the official definition of the kilogram say "a kilogram is the mass

of 2.15x10^25 silicon-28 atoms" Yes.

Is it - is it going to happen? There's a likelihood, a high likelihood that

it's going to happen. But there is another approach to redefining

the kilogram which involves fixing Planck's constant and it's done using something called

a Watt Balance. These two approaches are complimentary. Each one provides a check on the other, and

if they show good agreement and are able to bring their uncertainties down to about twenty

micrograms they may redefine the kilogram as early as 2014. And then the kilogram finally

will be an unchanging unit, no longer defined by a physical object in the basement vault

of some place in Paris. Now if the kilogram was originally intended

to be the mass of a litre of water at its densest temperature then how well did we do?

Well if you look at a litre of water at nearly four degrees Celcius it has a mass of 999.975

grams. So I guess you could look at this two ways. On the one hand you could say the kilogram

is slightly heavier than it should be, but on the other hand 214 years ago, scientists

were able to create an artifact that was correct within the margin of error of a grain of rice.

Now that is truly remarkable. Now if you want to hear more about the Watt Balance, let me

know in the comments and I will see what I can do. It does seem to be the frontrunner

in terms of redefining the kilogram, so we will have to wait and see what happens. One

last thing, I should point out that it took an international collaboration of scientists

to create the silicon sphere but don't you think that the scientist who originally conceived

of silicon as an element should receive some of the credit. Well in 1787, that was none

other than Antoine Lavoisier. So he's been involved in the definition of a kilogram from

start to finish or from cradle to grave.