Каждый раз, покупая килограмм бананов в магазине, мы редко задумываемся о том, что стоит за этой, казалось бы, простой единицей измерения. Как устроена глобальная система, которая гарантирует, что килограмм в Москве, Париже или Токио — это одна и та же масса? За этой повседневностью скрывается удивительная история научного поиска, полная неожиданных поворотов и технологических прорывов.
Погружение в эту тему открывает целый мир, где точность измерений — основа современной науки и технологий. Процессы, о которых большинство из нас не подозревает, напрямую влияют на всё: от напряжения в розетке до работы спутников.
Согласно официальному определению, килограмм — это основная единица массы в Международной системе единиц (СИ). Однако мало кто заметил, что 20 мая 2019 года сама суть килограмма изменилась навсегда, перестав зависеть от физического объекта.
Исторический путь: от воды до платинового цилиндра
Всё началось в 1793 году во Франции с введения единицы «грав» (grave), которая определялась как масса одного литра воды при температуре таяния льда. Однако название оказалось политически некорректным в разгар революции, так как созвучно титулу «граф». В результате от «грава» отказались в пользу «грамма» — одной тысячной его массы. Позже, осознав, что грамм слишком мал для практического использования, вернулись к массе в тысячу граммов, но назвали её уже «килограммом». Так килограмм стал единственной основной единицей СИ с приставкой.
Вода как эталон оказалась неудобной, и учёные создали материальный объект — гирю из платины. В 1889 году её сменил более стабильный цилиндр из сплава платины и иридия, известный как «Международный прототип килограмма» или «Большой К». Он был помещён в специальное хранилище под Парижем.
Для его сохранности были созданы беспрецедентные условия: три стеклянных колпака, климат-контроль и замок с тремя ключами. По уровню защищённости это сравнимо с хранилищем золотого запаса.
Глобальная система эталонов и её проблемы
Чтобы распространить эталон по миру, были созданы 40 его точных копий. Шесть остались рядом с оригиналом, а остальные, включая два российских эталона, переданных под ответственность Д.И. Менделеева, стали национальными стандартами.
Однако система столкнулась с трудностями. Сам прототип был невероятно дорогим, поэтому для повседневного использования создавались эталоны из более доступных материалов, например, стали. Разная плотность материалов означала разный объём, что вносило погрешности из-за силы Архимеда. Для точных сравнений потребовались сложнейшие установки с контролируемой средой.
Главной же проблемой стало нестабильность самого «Большого К». За 125 лет масса различных национальных эталонов разошлась на 50 микрограммов. Причина до конца не ясна, но последствия серьёзны: килограмм — основа для определения других единиц, таких как ньютон, джоуль, ватт и вольт. Меняющийся эталон угрожал стабильности всей системы измерений.
Революция 2019 года: килограмм, основанный на константах
В XXI веке учёные решили переопределить килограмм, привязав его не к объекту, а к фундаментальным физическим постоянным, как ранее поступили с метром, привязав его к скорости света. На роль основы претендовали две константы.
Проект на основе числа Авогадро
Учёные создали идеально круглую сферу из сверхчистого кремния-28 массой ровно 1 кг. Зная её точные размеры, можно подсчитать количество атомов в ней, тем самым зафиксировав число Авогадро. Сфера была настолько гладкой, что если бы она была размером с Землю, то самые высокие «горы» на ней не превышали бы 14 метров. Кремний для этого проекта был произведён в России, в Нижнем Новгороде.
Проект на основе постоянной Планка
Второй подход использовал постоянную Планка (h), которая связывает энергию кванта с его частотой. Для её точного измерения были созданы невероятно сложные приборы — весы Киббла. Они уравновешивают электромагнитную силу с механической силой тяжести, действующей на массу.
Эти установки используют квантовые эффекты, сверхпроводящие магниты, лазерные интерферометры и даже учитывают гравитационное влияние Луны и Солнца. Работы ведутся в вакууме, а стоимость и сложность доступны лишь ведущим мировым лабораториям.
После многолетних экспериментов оба метода подтвердили точность друг друга. 20 мая 2019 года килограмм был официально переопределён через фиксированное значение постоянной Планка. Теперь он определяется через скорость света и частоту излучения атома цезия, что делает его незыблемым и воспроизводимым в любой лаборатории мира.
Вывод: сложность скрытых процессов
Эта история — яркий пример того, как за простыми и привычными вещами стоит титаническая работа учёных и инженеров. Мы часто задаём вопросы «Почему так долго?» или «Почему так дорого?», не представляя всего объёма задач, решаемых для достижения результата. История килограмма напоминает нам, что мир устроен сложнее, чем кажется на первый взгляд, и за кажущейся простотой часто стоят десятилетия исследований и инноваций.