Когда-нибудь задумывались, чему равен килограмм бананов, который вы покупаете в магазине? А как устроена система, которая делает так, чтобы эти бананы весили одинаково в любой точке мира?
Не буду рассказывать, как я заинтересовался этой темой. Но когда стал узнавать подробнее, меня поразил масштаб и сложность процессов, спрятанных от наших глаз. Хотя все, что там происходит, непосредственно влияет на нашу жизнь.
Как гласит Википедия: "Килогра́мм (кг) — единица измерения массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ)".
Но многие и не заметили, как 20 мая 2019 года килограмм, которым пользуется подавляющее большинство людей на планете, изменился безвозвратно.
Что же произошло?
Началось все в 1793 году, когда был придуман Grave (по французски читается как "Грав"). Он определялся как масса куба воды со стороной 0,1 метра (то есть литра) при температуре плавления льда.
Только вот незадача, Grave слишком созвучно титулу Graf, а на дворе Великая Французская Революция. Графья все на гильотинах, как-то не удобно получается.
Решили пусть будет не Grave, а gramme. А равен он будет массе куба воды со стороной 0,01 метра, то есть 1/1000 Grave.
Потом стало понятно, что gramme слишком маленький для применения в реальной жизни, и было решено вернуться к 1000 gramme. Только вот название Grave было не в духе революции, поэтому сделали kilogramme.
Именно поэтому килограмм является единственной из основных единиц СИ, которая имеет приставку.
Да и вода оказалась не самым удобным веществом для этих целей, поэтому было решено изготовить твердый металлический объект, который и являлся бы эталоном массы.
Сначала это была гирька из платины, но через 90 лет в 1889 году было решено заменить ее цилиндром из сплава платины и иридия. Именно этот цилиндр и был назван "международный прототип килограмма" или "Big K". Он был помещен в специальном хранилище Международного бюро мер и весов под Парижем.
Чтобы обеспечить его сохранность и неизменность, эталонный килограмм хранится под тремя стеклянными колбами в хранилище с контролируемыми параметрами климата за замком с тремя независимыми ключами. Это сравнимо с хранилищем Федерального резервного банка Нью-Йорка, где храниться 25% мирового запаса золота.
Теперь вопрос, как сделать так, чтобы все килограммы в мире были максимально близки к "Big K"?
Для этого создали сорок копий эталонного килограмма. Шесть хранятся вместе с оригиналом, а остальные были разосланы по всему миру и стали национальными эталонами.
Два достались России. За их хранение отвечал сам Дмитрий Иванович Менделеев. Эти эталоны хранятся в ВНИИ метрологии, названном в его честь.
Национальные институты метрологии занимаются изготовлением дочерних эталонов и следят, чтобы они были максимально близки к прототипу.
Проблемой, например, является то, что прототип из платины-иридиума стоит примерно $100 000. Поэтому дочерние эталоны изготавливают из других материалов, например стали. Плотность этого материала значительно меньше, и прототипы получаются больше по объему.
При взвешивании влияние начинает оказывать закон Архимеда, который по-разному действует на объекты с отличающимся объемом. Этот эффект, конечно, можно учесть, но вот незадача, он в свою очередь зависит от параметров воздуха, температуры и влажности.
В итоге, чтобы точно сравнивать эталоны, ученые вынуждены создавать специальные установки с контролируемыми параметрами среды. В общем, все очень сложно и дорого.
С периодичностью примерно раз в 45 лет происходила сверка национальных эталонов килограмма с Big K. Результаты оказались неутешительными. Выяснилось, что за 125 лет масса эталонов разошлась на 50 микрограмм.
Из-за чего это происходит, до сих пор до конца не ясно. Но проблема очевидна: эталон, который изменяется со временем – это бомба замедленного действия. От килограмма ведь зависит не только мера измерения массы, но другие единицы измерения, например, Ньютон, Джоуль, Ватт или Вольт.
Представьте, у нас в розетке напряжение 220В. Вольт это ни что иное, как кг·м²·сˉ³·Аˉ¹, а килограмм постоянно меняется. Мир в опасности!
В начале XXI века ученые начали думать, как заменить эталон килограмма эквивалентом, зависящим не от физического объекта, а от фундаментальных физических постоянных.
Идея простая: взять константу, которая определяется через килограмм, максимально точно измерить ее значение, зафиксировать его, а затем переопределять килограмм через эту константу.
Опыт уже был. В 1983 таким же образом метр был предопределен как 1/299 792 452 расстояния, которое свет проходит за секунду. Хотя ранее все было наоборот, считалось, что это скорость света равна примерно 300 000 000 м/с.
Но какую константу взять для определения килограмма? Кандидатуры было две.
Число Авогадро
Для того, чтобы зафиксировать число Авогадро, ученые создали идеально круглую сферу из моноизотопного кристалла кремния-28, массой ровно 1 кг. Зная точный диаметр такой сферы, можно буквально посчитать число атомов кремния в ней.
Только представьте, материал для сферы стоил миллион евро, а на ее изготовление потребовалось несколько лет. Параметры сферы измерялись точнейшими лазерами. Это позволило сделать ее настолько ровной, что если бы она была размером с землю, то самая высокая гора на этой земле имела бы высоту всего 14 метров.
Кстати, кремний для сферы изготавливался нашим Институтом химии высокочистых веществ в Нижнем Новгороде.
Постоянная Планка
Тут все еще сложнее и интереснее. Из курса физики мы помним, что постоянная Планка связывает величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой: E = hν.
С другой стороны, любой школьник знает, что E=mc².
На практике, для связи этих двух единиц используются, так называемые, Весы Киббла. Они предназначены для уравновешивания электрической мощности, создаваемой электро-магнитным полем катушки, и механической мощности, создаваемой массой. В нашем случае тем самым килограммом.
Не вдаваясь в подробности, как все устроено, отмечу, что прибор этот настолько сложен, что его изготовление могут позволить себе только богатейшие лабораторий мира.
Напряжение и сопротивление в катушке определяются с помощью квантовых эффектов Джозефсона и Холла, в этом месте и возникает постоянная Планка.
Устройство содержит мощнейший электромагнит со сверхпроводящими обмотками. Измерение скорости перемещения катушки выполняется с помощью лазерного интерферометра. Для помещения, где проводится эксперимент, с помощью гравиметра составляется карта гравитационного поля. В процессе эксперимента гравитация также постоянно измеряется, так как на точность влияет положение солнца и луны.
Ну, и чтобы не было слишком просто, измерения происходят в вакууме.
Все это позволяет добиться точности измерения всего в несколько десятков частей на миллиард.
Эксперименты продолжались с 2011 года, и только в ноябре 2018 Генеральная конференция по мерам и весам одобрила новое определение килограмма.
Решение вступило в силу 20 мая 2019 года.
С тех пор ваш килограмм бананов, внимание:
Устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равной в точности 6,62607015⋅10ˉ³⁴, когда она выражена единицей СИ Дж⋅с, которая эквивалентна кг⋅м²⋅сˉ¹, где метр – это длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды, а секунда – это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Да, с гирькой в подвале под Парижем было как-то попроще. Зато так надежнее.
Кстати, эксперименты с идеальным шаром из кремния тоже не прошли зря. С их помощью удалось подтвердить, что оба метода хорошо соотносятся друг с другом. Число Авогадро было зафиксировано как точное значение Nₐ = 6,022 140 76⋅10²³ мольˉ¹.
Мораль
Эта история натолкнула меня на мысль, что мы постоянно сталкиваемся с явлениями, о сложности которых даже не подозреваем.
По работе нам постоянно приходиться слышать вопросы: "Почему так долго?" "Почему так дорого?". Очень часто эти вопросы возникают из-за того, что задающий не подозревает, какая работа стоит за тем, чтобы какая-то с виду несложная вещь начала функционировать.
В следующий раз, когда услышите подобный вопрос, и вам будет лень объяснять, просто отправьте ссылку на эту историю.
Возможно, это поможет донести мысль, что все сложнее, чем кажется на первый взгляд.