Весомое решение. Как и зачем ученые переосмыслили определение килограмма
16 ноября Международное бюро мер и весов приняло новое определение килограмма. Почему ученые решили изменить подход к этой единице измерения, и как они это сделали, рассказывает физик из Университета Халла Кевин Пимблетт
Килограмм – это сколько? 1000 граммов, 2,20462 фунта, или 0,0685 слага – устаревшей британской единицы массы. Но каково происхождение этого значения?
С 1889 года страны-участницы Генеральной конференции по мерам и весам договорились использовать для определения килограмма стандартный металлический блок, который сегодня хранится неподалеку от Парижа. И хотя содержится он в тщательно контролируемой среде, его вес может незначительно изменяться, поскольку износ ведет к потере массы, а загрязнение – к ее увеличению. Чтобы решить эту проблему, ученые во всем мире почти двадцать лет обсуждали, как можно иначе определить килограмм относительно природных констант. Теперь они, наконец, нашли способ.
Килограмм истории
Впервые килограмм (изначально названный гравом) был определен в 1793 году комиссией Французской академии наук, которая хотела получить лучший стандарт, чем фиксированное количество гранов, использовавшиеся традиционно. Комиссия решила использовать в качестве новой меры массу одного кубического дециметра дистиллированной воды при 4℃ (температура, при которой вода имеет самую высокую плотность в стандартных условиях). Преимуществом данной идеи было то, что большинство должным образом оборудованных лабораторий могли бы воспроизвести этот стандарт. Впоследствии был отлит прототип из латуни.
Такое определение массы зависело от другой переменной единицы измерения – метра. В то время он условно определялся как часть расстояния от Северного полюса до экватора. После того, как значение метра и температура наибольшей плотности воды были более точно определены, килограмм также пришлось заменить. Новый прототип был отлит из платины.
Копия международного прототипа килограмма, который сегодня отправили на покой/ Wikimedia
Со временем его заменили международным прототипом килограмма (МПК), который используется и сегодня. Он отлит из платино-иридиевого сплава, что делает его очень твердым и предотвращает реакцию с кислородом. МПК хранится в принадлежащем Международному бюро мер и весов Бретейском павильоне в Сен-Клу, недалеко от Парижа. У него есть 6 копий, которые перевозятся по всему миру, чтобы все страны-члены бюро использовали один и тот же стандарт. Однако в настоящее время и этот прототип нуждается в пересмотре.
Формула килограмма
На сегодняшний день килограмм является последней из единиц СИ (от фр. Systeme International), основанный на реальном физическом объекте. Кроме того, как уже отмечалось, его масса может постепенно изменяться. Посему Международное бюро мер и весов решило пересмотреть его определение наряду с другими базовыми единицами измерения.
Чем ровнять распространенную меру веса на металлический блок, хранящийся в подвале, ее можно определить на основе точных значений природных констант. Однако прежде, чем этот метод стал осуществимым, ученым пришлось потратить немало времени на измерение этих констант в соответствии со строгими стандартами неопределенности 30 частей на миллиард (то есть единицы измерения точны с погрешностью до 0,00000003).
Сахара в пакете будет столько же, сколько и раньше, но ученым изменение единиц измерения сулит значительные преимущества
То же самое уже было проделано для времени и длины. Секунда перестала считаться частью периода вращения Земля, которая может меняться в зависимости от ускорения или замедления земного шара. Теперь она соответствует времени, которое требуется для выделения определенного количества энергии в виде излучения атомов цезия-133. Говоря более точно, одна секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Эта величина постоянна, независимо от того, когда и где она измеряется.
Затем ученым удалось переопределить метр относительно секунды и другой природной константы – скорости света в вакууме (c), согласно подсчетам составляющей 299 792 458 метров в секунду. Таким образом, один метр – это расстояние, которое свет проходит за 1/c секунды.
Новое определение килограмма основано на другом фиксированном природном значении — постоянной Планка (h), которая со следующего года будет определена, как 6,62607015×10−34 кг·м²/с. Секунда и метр уже имеют свои определения. Взяв их, а также постоянную Планка, можно получить новое, очень точное определение килограмма.
Почти как раньше
Одна из причин того, что формулирование нового определения килограмма заняло довольно много времени заключается в том, что ученым требовалось создать устройства, позволяющие с высокой степенью точности измерить постоянную Планка. Однако после многих лет поиска решения и символического голосования оно будет использоваться Международным бюро мер и весов и национальными измерительными институтами по всему миру. Наряду с новыми определениями остальных базовых единиц СИ: моля, кельвина (температура), ампера (сила тока) и канделы (сила света).
Переосмысление этих величин никак не повлияют на повседневную жизнь большинства людей. В стандартном пакете сахара будет столько же сахара, сколько и раньше. Но некоторые из этих изменений, например в случае с кельвином, влекут за собой практические преимущества для ученых, делающих очень точные измерения. И чтобы ответить на вопрос: "Килограмм — это сколько?", больше не придется сравнивать блоки платины и беспокоиться о царапинах на них.
По материалам The Conversation