Måling af Planck konstant med LEGO

I næsten 130 år er kilogrammet defineret af en lille platin og iridiumcylinder, der sidder i en hvælving uden for Paris. Hver anden måleenhed er defineret af reproducerbare fysiske fænomen; Det andet er et nøjagtigt antal oscillationer af et cæsiumatom, og en meter er længde lyset bevæger sig i 1/299792458th af et sekund. Kun kilogrammet er defineret af et egentligt objekt, indtil NIST og International Weight of Weights and Stepps definerer det som en funktion af Planck Constant. Hvordan måler du Planck konstant? Med en watt balance. Hvordan bygger du en wattbalance? Med LEGO selvfølgelig.

En watt balance ligner en dobbelt væbnet skala, hvor en vægt kan sammenlignes med en anden vægt af kendt masse. I stedet for at bruge to arme har en WATT-balance kun en arm, der bringes i balance ved en strøm, der strømmer gennem en spole. Den mekaniske effekt i balancen – forårsaget af hvad der er på balancepladen – kan derefter sammenlignes med den elektriske strøm, og til sidst Planck konstanten. Dette vil snart være en del af den formelle definition af kilogrammet, og ja, en enhed til måling af dette kan laves ud af LEGO.

De eneste store ikke-LEGO-dele i LEGO WATT-saldoen er et par spoler af ledningssår omkring et PVC-rør og et par neodymmagneter. Disse er anbragt på begge arme af balancen, og et par lasere bruges til at sikre, at begge arme af balancen er niveau. Data indsamles ved at måle spolerne gennem et par analoge stifter på en labjæk og en phidget. Når spændingen og strømmen induceret i hver spole måles, kan wattagen beregnes, så Planck konstanten og endelig hvor tæt massen på balancen er til et rigtigt idealiseret kilogram. På trods af at man er lavet af LEGO, kan dette system måle en grammasse til 1% usikkerhed.

Forfatterne har medtaget en liste over LEGO-dele, hvoraf mange kunne findes i et stort karbad af LEGO i et 8-årigt skab. Den eneste virkelig dyre vare på BOM er en 16-bit USB DAQ; Bortset fra det, er det noget, som nogen kan bygge.

Tak [Matt] for spidsen.