Переопределен эталон килограмма

В подземном хранилище в пригороде Парижа, под непроницаемым колпаком, долгие годы хранился он: платино-иридиевый цилиндр, служивший международным эталоном килограмма.  Именно он был образцом для всех мер массы, использовавшихся в мире. Он был несовершенен, и это повергало ученые умы в печаль.

Микроскопические загрязнения в воздухе могли привести к тому, что эталон становился немного тяжелее, а значит, и сам килограмм становился немного тяжелее. Тщательная очистка или небольшая царапина могли привести к тому, что он становился немного легче, и сам килограмм также становился легче. По расчетам, за время своего существования эталон потерял 50 микрограммов массы.

И вот, его служба подошла к концу.

С этого дня килограмм будет переопределен. Нет, его не заменят другим объектом, но фундаментальным свойством природы, известным как постоянная Планка. Как и скорость света, значение постоянной Планка не может колебаться — она с исключительной точностью ​​встроена в саму ткань вселенной.

«В отличие от физического объекта, фундаментальная константа не меняется», — объяснил Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд. «Теперь килограмм будет иметь такую ​​же массу, если вы находитесь на Земле, на Марсе или в галактике Андромеды «.

Исследователи, посвятившие свою жизнь науке об измерениях, говорят, что новое определение килограмма — и аналогичные изменения для Моль (количество вещества), ампера (сила тока) и кельвина (температура) — представляет собой переломный момент для человечества.

«Способность проводить измерения с возрастающей точностью является частью развития нашего вида», — говорит Уолтер Копан, директор NIST.

Большинство людей вряд ли заметят перемену — килограмм сахара так им и останется.

Решение о переопределении четырех базовых единиц Международной системы единиц было принято в ноябре на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам в Версале, Франция. Делегаты из 60 стран-членов собрались в большом зале для исторического голосования, и решение было принято единогласно.

Истоки метрической системы восходят к французской революции конца 1700-х годов. В то время во Франции использовалось около 250 000 различных единиц измерения, что затрудняло коммерцию и торговлю. Новая система была разработана так, чтобы быть рациональной и универсальной, с единицами, основанными на свойствах природы, а не по королевскому указу или прихоти местных герцогов и магистратов.

«Идея заключалась в том, что эти измерения будут вечными и одинаковыми для всех и везде», — сказал Кен Алдер, историк науки из Северо-западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс.

Основополагающей единицей системы был метр, который должен был составлять одну десятитысячную дистанцию ​​от Северного полюса до экватора вдоль парижского меридиана. (Ученые того времени сделали небольшую ошибку в своих измерениях, и метр был примерно на 2 миллиметра длиннее, чем должен быть.) Тогда же килограмм был определен как масса 1000 кубических сантиметров воды при 4 градусах Цельсия.

Эти единицы были приняты Французской Республикой в ​​1795 году, хотя на практике люди продолжали использовать свои собственные локальные системы измерения в течение десятилетий.

«Это не значит, что все с энтузиазмом приняли метрическую систему, как только ее сформулировали», — говорит Барри Тейлор, почетный ученый из NIST.- «Это определенно было не так».

Европейские страны и Южная Америка приняли метрическую систему в течение 19-го века. В 1875 году делегаты из США и 16 других стран подписали «Договор о метре» в Париже. Он установил универсальную систему единиц на основе метра, килограмма и секунды, которая упростила бы торговлю между народами. (Последняя была определена как 1/6400 от среднего времени, которое требуется Земле для выполнения одного оборота вокруг своей оси.)

Хотя метр и килограмм были основаны на природных явлениях, они были официально определены металлическими артефактами, включая эталон массы, которые были отлиты в Лондоне в 1889 году и хранились в хранилище в подвале недавно созданного Международного палаты мер и весов в Севре, Франция. Страны-участницы получили по одной из 40 точных копий.

«Договор о метре» также учредил Генеральную конференцию по мерам и весам (CGPM), международную группу, которой было поручено изучать и голосовать за предлагаемые изменения в единицах измерения для всех государств-членов.

В 1954 году CGPM утвердила еще три базовых понятия — ампер для электрического тока, кельвин для температуры и канделу для силы света. В 1967 году была переопределена секунда. Теперь она основывалась на колебаниях атома цезия-133 — гораздо более точного и надежного маятника, чем слегка нестабильное вращение Земли.

В 1983 году метр стал первой метрической единицей, привязанной к фундаментальному свойству вселенной, когда он был переопределен как расстояние, пройденное светом в вакууме за 1/99,792,458 секунды.

«Сегодня мы можем измерить расстояние от Земли до спутника с точностью до 6 миллиметров», — сказал Шламмингер. «Такого не сделаешь с помощью металлического бруска – эталона метра.».

А килограмм все также оставался привязан к массе своего эталона, настолько драгоценного объекта, что его извлекли из его хранилища за тремя замками только один раз за 40 лет для очистки и калибровки. Метрологи стремились обновить определение килограмма с начала 1900-х годов, но способность измерить постоянную Планка с необходимой точностью возникла лишь недавно. Константа Планка — это число, связывающее энергию и частоту света, наподобие того, как Пи соотносит длину окружности с ее радиусом.

 В 1970-х годах ученые Британской национальной физической лаборатории разработали новый тип шкалы, который связывал массу с электромагнитной силой. Он был назван балансом Киббла в честь его изобретателя, Брайана Киббла, и, хотя на тот момент он был еще недостаточно точен, чтобы переопределить килограмм, первые шаги были сделаны. К 2005 году измерения, проведенные с использованием баланса Киббла, усоверенствовались настолько, что группа исследователей, известных среди метрологов как «Банда пяти», написала статью под названием «Переопределение килограмма: решение, время которого настало».

«Эта газета и положила начало всей этой одиссеи», — говорит Шламмингер. В 2013 году эксперты согласились с тем, что для изменения определения национальным метрологическим институтам необходимо будет измерить постоянную Планка с точностью до двадцати знаков после запятой, и показать, что два разных метода измерения дают один и тот же ответ.

«У эксперимента может быть скрытая погрешность, но если у вас есть два абсолютно разных подхода, и результаты согласуются, то риск того, что вы совершенно не правы, очень мал», — разъяснил Ян Робинсон, исследователь из Национальной физической лаборатории.

Баланс Киббла давал одно значение, а второе определялось из шара чистого обогащенного кремния. Структура 1-килограммовой сферы и атомов внутри нее позволила ученым точно измерить постоянную Авогадро, которая связывает количество атомов или молекул в веществе с его массой. Это было использовано для определения постоянной Планка с помощью хорошо понятных уравнений.

Подобная философия использования фиксированных констант лежит в основе новых определений моль, кельвина и ампера. После понедельника моль будет определяться значением постоянной Авогадро, Кельвин — значением постоянной Больцмана (которая связывает к температуру и энергию), а Ампер — значением элементарного заряда, наименьшего наблюдаемого заряда во вселенной.

«Каждый имеет доступ к этим фундаментальным постоянным», — сказал Шламмингер. «Они не делают различий между богатыми и бедными. Все, что вам нужно, это немного физики».

Они также не проводят различия между землянами и существами в других частях вселенной. По словам ученых, точно так же, как первая итерация метрической системы упростила общение и торговлю между странами, вновь определенные единицы могут однажды помочь человечеству общаться с инопланетянами.

«Если мы вступим в контакт с инопланетянами, о чем мы будем говорить с ними? Физика. Больше ничего нет», — сказал Шламмингер.- «Но если вы скажете инопланетянам, что наши единицы измерения основаны на кусочке металла, то станете посмешищем для галактики».

Ученые не знают, как новые единицы измерения повлияют на будущие открытия, но вполне возможно, что они это сделают. Например, секунду можно теперь измерить настолько точно, что исследователи могут обнаружить небольшие изменения в гравитационном поле Земли, потому что время движется несколько быстрее, если отдалиться от центра тяжести.

«Лорд Кельвин, один из лидеров в области метрологии, сказал: «Измерить — значит знать», — цитирует Копан. «Поскольку мы можем измерять с возрастающей точностью, мы можем больше узнать об основах нашей вселенной и основах жизни».

Отныне ученым не нужно беспокоиться об этом кусочке платины и иридия в Париже, они просто должны думать о физике.

Оставьте комментарий:

Ваш e-mail не будет опубликован.