Килограмм будет пересмотрен впервые за 130 лет

В подземном хранилище в пригороде Парижа лежит маленький металлический цилиндр, известный как Le Grand K. В течение 130 лет этот небольшой цилиндр состоящий на 90% из платины и на 10% из иридия служил международным килограммом-прототипом. Это означает, что он был единственным физическим объектом, которым измерялись все другие килограммы по всей планете.

Если микроскопические загрязнения в воздухе приводили к тому, что Le Grand K становился немного тяжелее, сам килограмм становился немного тяжелее. Если тщательная очистка или небольшая царапина приводили к тому, что он становился немного легче, сам килограмм также становился легче. Считается, что за время своего существования Le Grand K потерял 50 микрограммов массы. Но долгое правление Le Grand K подходит к концу.

Начиная с понедельника — 20 мая, килограмм будет определен не другим объектом, а фундаментальным свойством природы, известным как постоянная Планка. Как и скорость света, значение постоянной Планка не может колебаться — она ​​встроена с исключительной точностью в саму ткань вселенной.

«В отличие от физического объекта, фундаментальная константа не меняется», — сказал Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге. «Теперь килограмм будет иметь одинаковую 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 моля (который измеряет количество очень мелких частиц), ампера (который измеряет электрический заряд) и кельвина (который измеряет температуру) — представляет собой глубокий переломный момент для человечества.

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

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

Основополагающей единицей системы был метр, который должен был составлять одну десятитысячную дистанцию ​​от Северного полюса до экватора вдоль парижского меридиана. (Ученые в то время сделали небольшую ошибку в своих измерениях, и метр был примерно на 2 миллиметра длиннее, чем должен быть.)

В то же время, килограмм был определен как масса 10 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 измерения еще в течение десятилетий.

Страны в Европе и Южной Америке 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 (секунда была определена как 1/86400 от среднего времени, которое требуется Земле для выполнения одного вращения вокруг своей оси).

Договор метра также учредил Генеральную конференцию по мерам и весам (CGPM), международную группу, которой поручено изучить и проголосовать за предлагаемые изменения в единицах измерения для всех государств-членов.

CGPM утвердил еще три базовые единицы в 1954 году — ампер для электрического тока, кельвин для термодинамической температуры и канделу для силы света.

В 1967 году он переопределил значение секунды, основанное на колебаниях атома цезия-133 — гораздо более точного и надежного маятника, чем 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 1/299,792,458 секунды.

И только килограмм оставался привязанным к массе цилиндра Le Grand K, настолько драгоценного объекта, что его удаляли из его хранилища с тройным замком только один раз в 40 лет для очистки и калибровки. Метрологи стремились обновить определение килограмма с начала 1900-х годов, но способность измерять постоянную Планка с необходимой точностью появилась лишь недавно.

Постоянная Планка — это число, связывающее энергию и частоту света, почти как пи соотносит окружность и диаметр круга. В 1970-х годах ученые Британской национальной физической лаборатории разработали новый тип шкал, который связывает массу с электромагнитной силой. Он был назван балансом Киббла в честь его изобретателя, Брайана Киббла, и хотя он еще не был достаточно точным, чтобы переопределить килограмм, он предложил путь вперед.

К 2005 году измерения, проведенные с использованием баланса Киббла, улучшились настолько, что группа исследователей, известных среди метрологов как «Банда пяти», написала статью под названием «Переопределение килограмма: решение, время которого пришло».

В 2013 году эксперты согласились с тем, что для изменения определения национальным метрологическим институтам необходимо будет измерить постоянную Планка с точностью до 20 частей на миллиард и показать, что два разных метода измерения дают один и тот же ответ.

«У одного эксперимента может быть скрытый дефект, но если у вас есть два абсолютно разных подхода, и они согласны, то шансы на то, что вы не правы, очень малы», — сказал Ян Робинсон, исследователь из Национальной физической лаборатории.

Баланс Киббла предоставил первое значение. Другое измерение включало сферу размером с мяч из 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. В итоге кремниевая сфера служила проверкой подхода баланса Киббла.

Подобная философия использования фиксированных констант лежит в основе новых определений моля, кельвина и ампера. После понедельника моль будет определяться значением постоянной Авогадро, кельвин — значением постоянной Больцмана (которая относится к температуре и энергии), а ампер — значением элементарного заряда, наименьшего наблюдаемого заряда во Вселенной.

«Каждый имеет доступ к этим фундаментальным постоянным», — говорят Стефан 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? О Физике. Больше ничего нет», — сказал Шламмингер. «Но если вы скажете инопланетянам, что наши единицы измерения основаны на кусочке металла, вы станете посмешищем для всей галактики».

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