До недавнего времени единица массы килограмм была привязана к рукотворному артефакту. Эталон массы представлял собой цилиндр, выполненный из сплава платины и иридия, и хранился во Франции. После создания и объявления его эталоном были сделаны его копии, которые отправились в разные страны. С них позднее также снимались копии. В результате нескольких международных сличений национальных копий, изготовленных из того же материала, эксперты увидели, что массы копий меняются относительно главного эталона в диапазоне ±50 микрограммов за 100 лет, а как изменилась масса главного эталона — неизвестно, так как его не с чем сравнить. Опасность заключается в том, что для многих типов измерений такое отклонение может привести к недостоверным результатам.
«Эталоны массы и длины были приняты в то время, когда люди даже не подозревали, насколько точные измерения можно будет производить в будущем. Равно как и не было представления, насколько глубоко ученые погрузятся в мир очень малых и очень больших величин и масштабов. Однако открытия, которые были сделаны в физике 20 века, коренным образом изменили наш взгляд на мир, а возможности исследований несоизмеримо возросли. Поэтому возникла необходимость связать определения базовых величин, которыми оперируют все научные работники по всему миру с фундаментальными законами и константами, открытыми в 20 веке. То, как лучше ввести эти определения, обсуждалось в научном сообществе на протяжении не одного десятилетия, и теперь сделан наилучший выбор», – объяснил научный сотрудник научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Алексей Щербаков.
Теперь утверждено новое определение килограмма, основанное на постоянной Планка. Установка, с помощью которой можно реализовать новый эталон массы, называется весы Киббла. Принцип работы весов Киббла, как и любых других весов, основан на уравновешивании двух сил. Особенность именно этих весов заключается в том, что вес исследуемой массы компенсируется силой Лоренца – силой, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током. Измерения проводятся в два этапа. На первом, как и производится указанное уравновешивание, и для определения массы оказывается необходимым вычислять произведение величины магнитного поля на длину проводника с током. Поскольку точность измерения этих двух величин невысока, проводят второй этап измерений, который позволяет исключить их из конечной формулы вычисления массы. Вместо уравновешивания массы ей позволяют двигаться в том же магнитном поле и за счет уже другого эффекта – эффекта Фарадея – на концах проводника возникает напряжение. В итоге оказывается, что масса определяется током, измеренным на первом этапе, напряжением и скоростью, измеренными на втором этапе и ускорением свободного падения. Скорость можно измерить с огромной точностью с помощью лазерных интерферометров, а ускорение свободного падения – с помощью гравиметров.
«До этого момента измерения и расчеты основывались на законах, которые были известны более ста лет назад. А вот законы квантового мира, открытые в 20 веке, оказались востребованы для сверхточного измерения тока и напряжения. Эти законы проявляют себя, когда ученые работают с чрезвычайно малыми долями вещества, энергии или излучения, и оказывается, что все эти величины могут изменяться не непрерывно, а кратно целым долям некоторых минимальных величин, которые зависят от постоянной Планка. Высокоточные измерения электрического тока основаны на прецизионном измерении электрического сопротивления, которое в условиях квантового эффекта Холла также "квантуется" – изменяется порциями. Квантование напряжения достигается в условиях эффекта Джозефсона, наблюдаемого при протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора. Таким образом, масса в один килограмм может быть жестко связана с величиной постоянной Планка. При переопределении эталона массы ученые зафиксировали значение постоянной Планка (с погрешностью лучше, чем 50 к миллиарду), и решили, что теперь масса будет определяться на основании этого значения и измерений, проводимых на весах Киббла», – рассказал Алексей Щербаков.
Вместо старого цилиндра будет новый физический эталон, рассчитанный уже по формуле постоянной Планка. Это шар идеальной сферической формы из поликристаллического кремния, обогащенного по стабильному изотопу 28Si. Использование кремниевых сфер для определения килограмма, с одной стороны, представляет альтернативу использованию весов Киббла, поскольку основано на другой фундаментальной постоянной – числе Авогадро, а с другой – дополняет вышеописанные измерения, так как представляет собой способ проверки найденного значения постоянной Планка.
Считается, что благодаря новому определению килограмма каждая страна сможет воспроизводить эталонную установку самостоятельно в любое время, не прибегая к сверке с главным эталоном. По словам Алексея Щербакова, переопределение эталона массы действительно принципиально позволяет каждой стране проводить контрольные взвешивания, но на практике оказывается, что прецизионные измерения на весах Киббла – это сложный процесс, требующий высочайшей квалификации исполнителей. Поэтому, для большинства стран и повседневного пользования все так же будут использоваться эталонные гири.
Решение, принятое на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам, завершает реформу, которая длилась не одно десятилетие. Так, в 1983 году метр был привязан к значению скорости света в вакууме (и значение скорости было зафиксировано, были прекращены все программы измерения скорости света в вакууме, поскольку его значение стало точно известным по определению). В 2005 году исследователи определились в выборе еще трех констант для переопределения других единиц. Постоянная Планка была выбрана как основа для определения единицы массы, килограмма, элементарный электрический заряд (заряд электрона) — единицы силы тока, а постоянная Больцмана — термодинамической температуры. Для того, чтобы завершить этот переход, понадобилось несколько лет для того, чтобы с высокой точностью измерить константы.
«Сложность измерений, проводимых на пределе точности, заключается в том, чтобы проконтролировать влияние всех возможных параметров на результаты измерений, начиная от температуры и заканчивая вибрациями окружающих лабораторию стен. Ученые должны убедиться, что все элементы их установок стабильны, а измерения воспроизводятся многократно с течением времени. Кроме того, для переопределения эталона массы нужно было собрать и сравнить результаты, полученные из разных научных лабораторий по всему миру», – объяснил Алексей Щербаков.
Ампер, кельвин, моль
Во время конференции также утвердили новое определение ампера. Прежнее определение, утвержденное в 1948 году, было основано на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током. Теперь ученые решили зафиксировать не только численное значение постоянной Планка для килограмма, но и численное значение электрического заряда — для нового определения ампера.
Кельвин (единица температуры) — до сегодняшнего дня определялся как 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Это определение создавало свои неудобства, поскольку в воде всегда есть примеси тяжелых изотопов водорода и кислорода, и они могут значительно сдвигать тройную точку. Поэтому метрологам пришлось создать отдельный стандарт — Венский стандарт усредненной океанской воды. Новое определение кельвина основано на постоянной Больцмана, которая теперь будет точно равна 1,380649 × 10-23 Дж × K-1(джоулей на кельвин).
Моль до этого времени был привязан к количеству атомов в 0,012 килограмма стабильного углерода-12, то есть был связан с массой. В новой версии системы СИ он будет определен через зафиксированную постоянную Авогадро, то есть будет равен 6,02214076×1023 частиц.
Проект реформы вступит в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.
