Невесомый килограмм

Человечество прощается с осязаемыми эталонами мер и весов
03.12.2018
Кирилл Журенков

Научная сенсация: килограмм больше не привязан к рукотворному объекту! Во французском Версале представители 60 стран проголосовали за новые определения килограмма, ампера, кельвина и моля. Чем это обернется для человечества, в новом материале на нашем сайте.


Фото: AFP

В прессе произошедшее уже окрестили «весомыми переменами»: на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам утвердили самую масштабную реформу Международной системы единиц (SI) за последние десятилетия. Судите сами: были даны новые определения амперу, кельвину и молю. Но, пожалуй, наиболее обсуждаемый объект реформы это килограмм. Он оставался единственной единицей, зависящей от рукотворного объекта, цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в Севре (Франция). И вот настоящая революция. Теперь килограмм будут определять через постоянную Планка, одну из фундаментальных физических констант. Зачем это было нужно?

Сначала немного истории: за единицу массы еще в далеком 1875 году была принята масса Международного прототипа килограмма, то есть того самого севрского цилиндра, выполненного из сплава платины и иридия. Еще несколько лет спустя, в 1889 году, мастера британской фирмы Johnson, Matthey & Co изготовили 42 копии килограмма: все копии были из одной плавки, а их максимальная «подгонка» относительно друг друга стала возможной благодаря особому методу шлифовки. В результате 40 копий распределили между странами, подписавшими так называемую Метрическую конвенцию: Россия, к примеру, получила копии № 12 и № 26, они пережили и революции, и Гражданскую, и мировые войны и хранятся сейчас в лаборатории массы и силы Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Менделеева (ВНИИМ). Хранение этих копий, считающихся государственным достоянием, отдельный и увлекательный сюжет: для этого требуется изолированный фундамент массой 750 тонн и так называемая термостабилизация окружающего воздуха от 18 до 22 градусов Цельсия. Более того, рядом с институтом (он в Санкт-Петербурге) проходит метро, так что все метрологические сличения производятся исключительно в ночное время... Не менее строги меры безопасности и за рубежом. Допустим, Международный прототип килограмма (Le Grand K) хранится в сейфе, открыть который могут только три хранителя с тремя отдельными ключами за 139 лет это происходило считанное число раз. Но даже эта отлаженная система неидеальна: несмотря на многочисленные предосторожности, копии Le Grand K все равно... свою массу меняют!

Во ВНИИМ пояснили: систематическое изменение массы национальных копий килограмма по отношению к международному прототипу составило от 20 до 50 микрограммов (мкг).

Например, российская копия (наш государственный эталон килограмма) «тяжелее» прототипа на 30 мкг. Но самое интригующее: ученые не могут сказать, как изменился сам прототип, ведь его не с чем сравнить! Как не могут определенно установить и причину этих изменений массы: в «подозреваемых» оседание мельчайших частиц пыли, испарения и даже механическое снятие покрытия во время сличений, когда его берут в руки... Подумаешь: микрограммы! Но ученые предупреждают: проблема серьезна.

Подобные накапливающиеся изменения массы как самого прототипа килограмма, так и его национальных копий, которые являются эталонами, могут привести к техническому системному кризису, поскольку на килограмм завязаны многие базовые физические величины, например электрические, говорят во ВНИИМ.

Впрочем, есть еще одна причина тревоги: рукотворный прототип слишком уязвим. А вдруг с ним что-то случится? Вот почему еще в 1970-х научное сообщество решило не рисковать и перешло к экспериментам по определению массы через... атомные или фундаментальные физические константы. Им-то уж точно не мог угрожать никакой пожар! А в 1999-м было окончательно решено: килограмм нужно переопределить через так называемую постоянную Планка (связывает величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой). Что, впрочем, оказалось непростой задачей: сложность в измерении постоянной Планка именно в ее точности (это 10 в минус 34-й степени Джоуля), а также в том, что для измерения необходимы особые устройства киббл-весы (они позволяют сравнивать вес объекта с электромагнитными силами и выражать массу через электрические единицы, измеренные на основе макроскопических квантовых эффектов).

Вообще ревизия системы единиц оказалась примером едва ли не крупнейшего международного сотрудничества в области науки в истории, над ней работала целая коллаборация ученых из самых разных стран. Без россиян тоже не обошлось: ну, например, в рамках одного из проектов наша страна предоставила для экспериментов большие количества сверхчистого кремния, содержащего только один изотоп с атомным весом 28. Из этого кремния изготавливались особые сферы ключевой элемент проекта.


Килограмм, ранее привязанный к рукотворному цилиндру, теперь решено связать с постоянной Планка.
А ее, в свою очередь, измеряют с помощью сложнейшего устройства - киббл-весов (на фото)
Фото: Reuters

Одним словом, ученые дружно навалились на непростую задачу, и вот успешное завершение многолетних усилий на конференции в Версале. Голосование, состоявшееся там, было чистой формальностью: все уже понимали реформа состоится!

Это нечто грандиозное для эпохи, когда кажется, что люди мало о чем могут договориться, заявил в интервью The Washington Post Йон Пратт, глава отдела квантовых измерений Лаборатории физических измерений Национального института стандартов и технологий, NIST (США).

Вообще для самих ученых нынешние нововведения своего рода торжество научной демократии, ведь теперь для точности измерений больше не требуется сличения с артефактом, запертым в сейфе во Франции. Стефан Шламмингер, коллега Пратта по институту, даже вытатуировал на руке слоган: «Для всех людей, на все времена». Точнее про случившееся не скажешь.

Чем важна эта реформа для обывателей? Ответ есть: речь, по сути, о «невидимой инфраструктуре», пронизывающей весь современный мир. Как объясняют специалисты, чем сложнее становится цивилизация, тем точнее измерения требуются: например, точность и надежность данных, полученных от приборов на космических аппаратах, связана с возможностью их калибровки на борту. А Тим Прайор из Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания) напоминает о фармацевтике, где различные лекарственные ингредиенты скоро понадобится измерять в микрограммах или даже в нанограммах.

Эксперты приводят в пример и переопределение секунды, случившееся в 1967 году, оно заложило основу для современных коммуникаций, от GPS до интернета. Но самое интересное, что и это еще не все: говорят, через четыре года, на 27-й Генеральной конференции, определение секунды вновь могут изменить. Время пошло.

Экспертиза

Эталон XXI века

Сразу подчеркну: килограмм останется килограммом, никаких изменений в бытовом и промышленном весоизмерении не ожидается. Ученые-метрологи приложили также все усилия, чтобы рядовые пользователи не понесли дополнительных расходов и им не пришлось менять что-либо в процедурах калибровки своих приборов. А резон перехода на новое определение килограмма очевиден: это прежде всего точность и стабильность базовой единицы измерения. В тех сферах, где важны высокоточные измерения массы (к примеру, фармакология, медицина, высокоточное приборостроение), будет гарантирована минимальная погрешность измерений.

Как пошутил один участник 26-й Генеральной конференции по мерам и весам, если бы инопланетяне узнали, что человечество до сих пор определяет килограмм с помощью куска железа, они бы покрутили пальцем у виска. Да, это раньше мы имели единицы и шкалы, выбранные произвольно и признанные мировым сообществом в результате договоренности. Но, наконец, достигли такого уровня развития цивилизации, что научились использовать единицы и шкалы, созданные самой природой, причем обусловленные ее квантовым характером. Я бы сравнил это с открытием новой элементарной частицы. Человечеству больше не стыдно.

О направлениях дальнейшей работы (особенно для нас, в России) стоит сказать отдельно.

Российские ученые-метрологи могут не торопиться с переходом на новый килограмм мы сделаем это в течение ближайших 5-10 лет.

Срок связан с результатами последних международных сличений национальной копии килограмма в 2014 году: теперь следующие сличения российского эталона потребуются не раньше 2025-2029 годов. К этому времени Росстандарт должен разработать эталонную аппаратуру, аналогичную той, на которой будут «взвешивать» новый килограмм метрологические институты промышленно развитых стран. Речь о так называемых весах Киббла сложнейшем измерительном комплексе, в настоящее время таким оборудованием обладают единицы стран: США, Франция, Великобритания... Однако в России разработки в области создания подобной измерительной техники велись еще в начале 1980-х, так что создание отечественного аналога дело ближайшего десятилетия.

Вообще по результатам последних международных сличений килограмма 2014 года Россия вошла в пятерку стран лидеров по точности воспроизведения единицы массы. А по общему количеству измерительных возможностей мы занимаем второе место в мире (после США). Россия также считается лидером в области температурных и электрических измерений, что подтверждается результатами международных ключевых сличений с другими странами своеобразными метрологическими олимпиадами. Одним из самых точных в мире является и российский эталон единицы времени словом, будем «держать марку».

Антон Пронин, руководитель ВНИИМ им. Д.И. Менделеева

Брифинг

Алексей Абрамов, руководитель Росстандарта

На первый взгляд людям может быть и не очень-то понятно, к чему нужна такая точность. Но нам же килограмм нужен не только для того, чтобы купить упаковку сахара в магазине. А ведь помимо килограмма в системе СИ существуют и другие единицы измерения. Точность измерений это запрос прежде всего технологического развития. Вот с ним человечество как раз и подошло к цифровой эпохе. Измерения это то, что переводит объекты физического мира в цифровые данные. От точности измерений зависит качество цифровых двойников реальных объектов.

Источник: «РИА Новости»

Николай Обысов, главный метролог госкорпорации «Росатом»

Для любого человека внедрение таких современных метрологических решений гарантия того, что то, что он потребляет, является безопасным и надежным. Например, глобальные навигационные системы: как только вы округляете значения измерений, вы уже не можете обеспечить необходимую точность позиционирования. Другой пример: человек заболел раком, нужно облучить опухоль. Для этого нужно совершенно точно позиционировать пучок и рассчитать его энергию.

Источник: «Независимая газета»

Ян Робинсон, научный сотрудник Национальной физической лаборатории Великобритании (НФЛ)

Одной из основных причин сделать эту работу (переопределить килограмм. «О») является обеспечение международной безопасности. Если бы павильон де Бретейль сгорел завтра, а килограмм в его хранилище растаял от высокой температуры, у нас не было бы никакой возможности проверить подлинность измерений. Это отразится на всей метрической системе в мире будет хаос. Но эта уязвимость останется в прошлом. Мы освободимся от физического артефакта, исчезновение которого может поставить под угрозу всю мировую торговлю.

Источник: The Guardian (hightech.fm)

Источник: Огонёк

Читайте другие наши материалы