Во Всемирный день метрологии, 20 мая, вступило в силу новое определение килограмма, стандартной единицы массы, используемой по всему миру.

 

И хотя это никак не отразится на нашей повседневной жизни, значение этого шага для научного мира и промышленности, где требуются предельно точные измерения, трудно переоценить. Килограмм – одна из семи основных единиц международной системы измерений (СИ).

 
Определения четырех из них – самого килограмма, а также ампера (измеряет силу тока), кельвина (температуру) и моля (количество вещества) – были пересмотрены на Всеобщей конференции мер и весов, которая прошла в конце прошлого года под Парижем, в Версале.

 
Историческое решение «отвязать» килограмм от материального эталона было принято в 2018 году на Генеральной конференции по мерам и весам, которая прошла в Париже. Ему предшествовали долгие раздумья и напряженная работа. И еще год потребовался, чтобы решение вступило в силу. Как в нём записано, «килограмм будет таким, чтобы постоянная Планка составила ровно 6,626069 х 10 в минус 34 степени джоуля на секунду». Почему так? Потому что именно с такой точностью удалось измерить постоянную Планка.

 
Несколько лет назад это сделали американские физики из Национального института стандартов и технологий (The National Institute of Standards and Technology, NIST) посредством установки NIST-4 watt balance – так называемых весов Киббла, или ватт-весов, на которых гравитационные силы уравновешиваются электромагнитными. Теперь эти и подобные им приборы будут «отмерять» килограмм. Ученые уверяют, что точность весов потрясающая – та, которая удовлетворяет требованиям времени, а именно необходимости иной раз взвесить объекты размером с молекулы или атом, вне зависимости при этом от чего-то материального.

 

 
Оригинальный килограмм

 
Килограмм – последняя из единиц СИ, в основе которой лежал реальный физический объект. Принятое еще в 1901 году официальное определение так и звучало: «Килограмм – это единица массы, равная массе международного прототипа килограмма».

 
Международный прототип – 4-сантиметровый цилиндр, состоящий на 90% из платины и на 10% из иридия. Он был произведен в Лондоне и с 1889 года хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре под Парижем.

 
Но физические объекты могут терять атомы (фактически испаряться) или, напротив, впитывать молекулы из окружающего воздуха, так что за прошедшее столетие масса эталона изменилась на несколько десятков микрограммов. А это значит, что все остальные прототипы килограмма, по которым калибруют весы по всему миру, строго говоря, были не идеально точны. Столь незначительные отклонения не имеют никакого значения в привычной нам жизни, однако представляют огромную проблему для точных научных вычислений.

 
«Если когда-нибудь инопланетяне прилетят на Землю, о чём нам еще с ними разговаривать, если не о физике? Но чтобы говорить о физике, нужно будет договориться и об общих единицах измерений. И если мы скажем, что в основе нашей единицы массы лежит металлическая гиря из Парижа, над нами будет смеяться вся Вселенная», – заявил накануне голосования представитель Национального института стандартов и технологий США Стивен Шламмингер.

 

 
Новый килограмм

 
По большому счету, голосование на Всеобщей конференции мер и весов в ноябре прошлого года было формальным: напряженные дебаты уже прошли, (несколько стран предлагали свои, альтернативные определения), решение было согласовано заранее.

 
Теперь килограмм предполагается измерять при помощи так называемых весов Ватта (или баланса Киббла) – этот прибор определяет массу через постоянную Планка, основную константу квантовой теории.

 

Теперь килограмм измеряется с помощью весов Ватта (или баланса Киббла) – этот прибор определяет массу через постоянную Планка, основную константу квантовой теории: определение килограмма увязано с количеством электромагнитной энергии, необходимой для того, чтобы уравновесить объект соответствующей массы

 
Проще говоря, определение килограмма увязано с количеством электромагнитной энергии, необходимой для того, чтобы уравновесить объект соответствующей массы. Эталонную гирю заменят электрический ток и напряжение.

 
Эти величины, в отличие от самого физического объекта, не могут измениться или пропасть. Кроме того, точно отмерять килограмм теперь смогут любые ученые по всему миру, а не только те, у кого есть доступ к оригинальной парижской гире или ее копии.

 
По словам главы британской Национальной физической лаборатории Теодора Йанссена, отвечающего за стандарты измерения, теперь все единицы системы СИ основаны на фундаментальных константах природы – вечных, неизменных величинах, – объясняет он. – Это позволит проводить куда более точные измерения и укрепит основы науки в целом».

 

NB СПРАВКА

 

Материальный эталон килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures) во французском Севре в глубоком бункере. Представляет собой цилиндр из сплава, в котором 90 процентов платины и 10 процентов иридия. У цилиндра одинаковые высота и диаметр – 39,17 миллиметра. Он был изготовлен в 1889 году.

 
Копии эталона имеют многие страны, включая Россию. Их периодически сравнивают – эталон и копии. И с удивлением замечают, что копии чуть тяжелеют – прибавляют относительно оригинала примерно по 20 микрограммов за 20 лет. Причина феномена неясна. Подобная нестабильность и возникающие погрешности во многом предопределили судьбу драгоценного раритета. «Списав» цилиндр, специалисты продолжат за ним следить, чтобы фиксировать происходящие изменения.