Почему килограмм больше нельзя потрогать и как работает метрология
16 ноября 2018 года произошло эпохальное событие. Делегаты 26-й Генеральной конференции по мерам и весам утвердили резолюцию, которая пересматривает определения семи основных физических величин системы СИ (Международной системы измерений).
Метрологи давно планировали это сделать, но простому обывателю может показаться, что мир перевернулся. С 20 мая 2019 года платиново-иридиевый цилиндр, который хранится в Международном бюро мер и весов во Франции, перестанет быть стандартом килограмма.
Зачем все это нужно
О том, чтобы пользоваться едиными стандартами измерения длины, массы и времени, человечество задумывалось давно. Это нужно, чтобы удобнее было торговать, делить землю, строить здания и сооружения — вообще синхронизировать действия больших групп людей.
Первым исторически-мифологическим персонажем, попытавшимся ввести единую систему измерений, вполне можно считать Прокруста с его знаменитым ложем. Но царевич Тесей почему-то не оценил важности стандартизации и расправился с инноватором.
Современную Международную систему единиц (или СИ, Система Интернациональная) утвердили только в 1960 году (а в СССР приняли еще позже — в 1963). Ее стали применять для научных измерений повсюду — даже в тех странах, где в быту до сих пор длину измеряют футами, объем — галлонами, а массу — фунтами.
В начале была секунда
В СИ есть семь основных единиц измерения физических величин. Они устанавливаются независимо от всех остальных.
Метр (длина), килограмм (масса), секунда (время), моль (количество вещества), кельвин (температура), ампер (сила электрического тока) и кандела (сила света).
Конечно же, все они появились задолго до 1960 года. Старше всех — единица времени, секунда. Первые часы, способные отсчитывать секунды, появились в 1580-х годах — их независимо друг от друга сконструировали швейцарский часовщик Йост Бюрги и датский астроном Тихо Браге. В 1862 году учёные «привязали» секунду к солнечным суткам. Скорость Земли уточняли несколько раз. В итоге в 1940-х годах секунду определили как 1/86400 времени полного оборота Земли вокруг своей оси, а в 1956 году — как «1/31556925,9747 долю тропического года».
Основная единица измерения длины — метр. Он родился во время французской революции. 30 марта 1791 года Национальное собрание революционной Франции постановило определить «метр подлинный и окончательный» как одну сорокамиллионную часть Парижского меридиана. В 1795 году изготовили первый латунный прототип эталона метра. Впоследствии, правда, выяснилось, что учёные Деламбр и Мешен, измерявшие длину парижского меридиана, не учли полюсное сжатие Земли. Поэтому «эталон подлинного и окончательного метра» оказался короче, чем нужно, примерно на 0,2 мм.
В 1875 году семнадцать государств (в том числе и Россия) подписали Метрическую конвенцию. И к 1889 году ошибку французских географов исправили, изготовив новый, теперь уже международный эталон метра из сплава платины с иридием.
Килограмм тоже настрадался. Сначала то же Национальное собрание революционной Франции 7 апреля 1795 года определило единицу массы — грамм — как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу [со стороной] в сотую часть метра, и при температуре тающего льда», то есть при 0°С. Спустя несколько лет, когда стало ясно, что жидкая вода плотнее всего не при нуле, а при 4°С, килограмм определили как массу кубического дециметра жидкой воды при 4°С.
Поскольку измерять вес, используя в качестве эталона холодную воду, было затруднительно, метрологи французского национального собрания изготовили платиновую гирю, но оказалось, что она на 0,028 грамма тяжелее эталонного литра воды.
Все кончилось тем, что в 1889 году вместе с образцово-показательным метром изготовили тот самый международный эталон килограмма. Его хранят в Севре, в Международном бюро мер и весов под тремя герметичными стеклянными колпаками. «В нагрузку» сделали сорок эталонных килограммовых гирь из сплава иридия с платиной, разослали их в национальные метрологические службы, а в 1901 году в определении килограмма записали, что это «единица массы, равная массе международного прототипа килограмма».
Изменить точку опоры и привязаться к константам Вселенной
Мы видим, что проблемы с материальными эталонами единиц массы и длины начались еще в момент становления метрической системы. Ученые еще в 1948 году задумались о том, что основные единицы измерения нужно переопределить и взять за основу что-то более надёжное, чем изготовленные руками человека артефакты.
Вероятно, тогда и возникла идея определять физические величины через самые надежные параметры — константы Вселенной. Проблема заключалась только в том, что для метрологической реформы мирового масштаба эти константы нужно было измерить с чрезвычайно высокой точностью.
Первой связь со Вселенной ощутила секунда. В 1960-х годах изобрели атомные часы. В них для измерения времени использовались периодические процессы, протекающие на уровне атомов или молекул. И уже в 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам обозначила секунду как «… время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».
В 1975 году удалось максимально точно измерить скорость распространения света в вакууме. К ней и привязали метр. 17-я Генеральная конференция по мерам и весам определила его как «Длина пути, проходимого светом в вакууме за (1/299 792 458) секунды».
А вот килограмм до сих пор оставался ни к чему серьезному не привязанным. Сегодня он единственный определяется через рукотворный артефакт — цилиндрик из сплава платины с иридием 1889 года рождения. Ровно через 100 лет обнаружилось, что международный эталон на 50 микрограммов расходится по массе с теми самыми сорока национальными эталонами. Ученые расстроились и опять вспомнили о том, что было бы неплохо привязать килограмм к физической константе.
И вот свершилось. В качестве эталона выбрали постоянную Планка — основную константу квантовой теории. Как и с другими базовыми константами Вселенной, были проблемы с точностью ее измерения. Но в 2016 году это все же сделали с удовлетворительной для переопределения килограмма точностью. Килограмм, наконец, будет «… определяться значением постоянной Планка 6.62607015×10-34, когда она выражается в Дж×с, что эквивалентно (кг×м2)/с». Если вы хотите подробнее разобраться в этом заклинании и научиться определять массу новым способом, можете прочитать эту статью.
Кроме килограмма, 26-я Генеральная конференция по мерам и весам изменила определение единицы количества вещества — моля. Вместо старого и малопонятного (особенно на школьных уроках химии) «…количества вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг», вводится более разумное: «один моль вещества содержит точно 6.02214076×1023 структурных единиц вещества».
А что изменилось-то?
Конечно, на бытовом и даже на научно-практическом уровнях измерений ничего не изменится. Останутся и гири, и разновесы. Более того, поверка научных и торговых весов по-прежнему будет проходить с помощью физических эталонов массы.
Дематериализация определения килограмма позволяет, как это ни парадоксально, сделать основную единицу измерения массы надежнее и долговечнее — ведь, в отличие от массы эталонной гири, значение постоянной Планка не будет меняться. И ещё — теперь, если к нам прилетят инопланетяне, нам не придется им объяснять, какое значение для нашей цивилизации имеет сорокасантиметровый металлический цилиндр, хранящийся в вакууме под тремя стеклянными колпаками в одном из пригородов Парижа.
