Новая заря килограмма: как научное сообщество может изменить эталон измерения веса

Новая заря килограмма: как научное сообщество может изменить эталон измерения веса

Канистра, кусок льда, цилиндр

Единицы Международной системы единиц измерений (системы СИ), которые использует человек для определения характеристик окружающего пространства, определяются в терминах фундаментальных универсальных понятий. Например, в расстоянии, пройденном светом в вакууме (в случае с метром), или в числе вибраций атома цезия (в случае со временем).

Все, кроме килограмма. Со времен Людовика XVI, ставшего инициатором введения первой международной системы весов и мер, масса одного килограмма определяется физическими предметами.

«Король солнца» в попытке справиться с мошенничеством среди торговцев принял за эталон килограмма сосуд заданного объема с водой в точке замерзания (при температуре 0 °С). Артефакт хранился в подвале замка французского правителя и в течение десяти лет выступал главным ориентиром для определения веса во Франции и ее колониях.

После смерти Людовика XVI новый способ измерять вес килограмма предложили химики Луи Лефевр-Жино и Джованни Фабброни. Они подсчитали, что вода обладает наибольшей плотностью и устойчивостью при температуре 4 °С. Кроме того, ученые предложили в качестве эталона сосуд весом в один грамм.

Однако и эта система оказалась не идеальна — граммовый сосуд с водой, размер которого едва превышал горошину, оказался непрактичен для коммерческого условия. Такая система мер не обеспечивала достаточную точность измерений в условиях роста международной торговли и необходимости стандартизировать вес промышленных товаров.

Поэтому после французской революции в стране появился первый металлический эталон, который весил в тысячу раз больше предшественника — ровно килограмм.

Окончательное решение предложила Великобритания — в 1889 году в Лондоне был отлит килограмовый цилиндр из сплава платины и иридия, который на первом заседании Международного бюро мер и весов (BIMP) был принят эталоном измерения веса.

Металл под охраной

С тех пор цилиндр хранится под тремя стеклянными колпаками из крепкого стекла в павильоне де Бретейль, расположенном в одном из самых посещаемых парков Парижа — Сен-Клу.

За два века его покой нарушали три раза — смотритель обрабатывал цилиндр смесью серной кислоты и спирта, а затем кипящей и дистиллированной водой. Такое почтение к куску металла можно счесть паранойей ученых, но оно объяснимо. По весу эталона определяется масса промышленных и продовольственных товаров в 60 странах, в числе которых Европейское содружество и Россия.

В конце XIX века BIMP изготовило 40 копий эталона и разослало их в страны, подписавшие договор о принятии метрической системы измерения массы. Масса цилиндров-копий незначительно отличалась от оригинала, разница в весе была тщательно задокументирована.

Однако спустя 50 лет, в 1948 году, все образцы решили собрать вместе для взвешивания и калибровки. Тогда выяснилось, что все они весят по-разному. Некоторые копии эталона полегчали на 10 мг, другие стали тяжелее.

В 1992 году, когда копии вновь собрали вместе и сравнили с оригиналом, их вес изменился еще сильнее. У шести цилиндров, которые хранились в одном помещении с эталоном в павильоне де Бретейль, вес вырос на 40 мг. Ровно столько весит отпечаток пальца, и ученые решили, что кто-то мог прикоснуться к металлу во время чистки.

Однако после обработки кислотой и спиртом вес цилиндров не изменился — они по-прежнему весили больше, чем в момент изготовления. Вероятно, причиной этого стало выветривание и поглощение металлом молекул из воздуха.

Этот эксперимент стал потрясением для ученых — от измерения веса килограмма зависят четыре из семи единиц измерения и производные от них: например, ньютон, паскаль, ватт, джоуль, вольт, сиверт и другие.

Новая заря килограмма: как научное сообщество может изменить эталон измерения веса Олег Сабитов
Фото: NIST Цифровой эталон

К тому времени шесть из семи значенией системы СИ (метр, секунда, ампер, моль, кельвин, кандела) измерялись с помощью физических констант — точных и неизменных значений, идеально подходящих для измерения окружающего пространства.

Например, физики отказались от измерения секунды как 1/86 400 доли средней длительности дня. Вместо этого это величина стала определяться как время, необходимое для 9,192,631,770 вибраций атома цезия. То же самое произошло с метром — ученые отказались от определения этой величины путем высчитывания 1/10 000 000 доли от расстояния между экватором и Северным полюсом. теперь он определяется как длина, пройденная светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

Аналогичную физическую константу ученые пытались найти и для килограмма. В 1988 году британский физик Роберт Киббл создал устройство под названием «ватт-баланс», которое позволяет измерить вес через через константу Планка. Масса при этом подходе пропорциональна произведению тока и напряжения.

После смерти изобретателя в 2016 году устройство получило название «баланс Киббла». Электромагнитные силы в нем возникают благодаря катушке, зажатой между двумя постоянными магнитами.

Прибор имеет два режима работы. В первом электрический ток проходит через катушку и создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем. В результате создается давление, которое позволяет сбалансировать массу килограмма.

Во втором режиме катушка поднимается с постоянной скоростью — восходящее движение индуцирует в ней напряжение, пропорциональное силе магнитного поля. Измеряя ток, напряжение и скорость катушки, исследователи могут вычислить константу Планка, которая пропорциональна количеству электромагнитной энергии, необходимой для определения баланса массы.

Новая заря килограмма: как научное сообщество может изменить эталон измерения веса Олег Сабитов
«Баланс Киббла». Фото: NIST

Переход от металлического цилиндра в качестве эталона килограмма к измерению этой величины «балансом Киббла» позволит решить множество проблем, в том числе национальной безопасности, считает бывший коллега Киббла Ян Робинсон.

«Одной из основных причин перехода является обеспечение международной безопасности. Если бы павильон де Бретейль сгорел завтра, а килограмм в его хранилище растаял от высокой температуры, у нас не было бы никакой возможности проверить подлинность измерений. Это отразится на всей метрической системе — в мире будет хаос.

Но эта уязвимость скоро останется в прошлом. Мы примем новый метод взвешивания килограмма и освободимся от физического артефакта, исчезновение которого может поставить под угрозу всю мировую торговлю», — отмечает он.

Еще одной важной мотивацией для замены эталона является необходимость в проведении все более и более точных измерений, рассказывает профессор Британской физической лаборатории (NPL) Тим Приор.

«Фармацевтические компании скоро захотят использовать ингредиенты, которые нужно будет измерять с точностью до нескольких миллионных или даже миллиардных долей грамма. Мы должны быть готовы взвешивать вещества с такой точностью», — говорит Приор.

Кажется, дни парижского «короля килограмма» действительно сочтены. На этой неделе делегаты Международной генеральной конференции по весу и мерам, как ожидается, проголосуют за повсеместный переход на использование «баланса Киббла» для определения веса килограмма по константе Планка и отказ от цилиндра из павильона де Бретейль.

Пока «баланс Киббла» стоит дорого, но инвестиции в его покупку — ничто по сравнению с ущербом мировой экономике в случае пропажи эталона килограмма.

Это значит, что «короля килограмма» скоро будет свергнут и он займет свое место в музее рядом с эталонами времен Людовика XVI и Французской революции. Трудно представить, что в эпоху космических кораблей и искусственного интеллекта человечество все еще использует изготовленный в XIX веке металлический брусок как отправную точку для измерения массы всех предметов на Земле.

Подпишитесь на наши новости
Лого www.SiteHere.ru
1970-01-01 03:00 http://news.xtipe.com/ru/news/31792

Смотрите так же

Рада повысила штрафы за нерастаможенные авто на еврономерах 1970-01-01 03:00

Верховная Рада приняла во втором чтении и в целом законопроект № 8488, который предусматривает увеличение штрафов за нерастаможенные машины.

"За" проголосовали 245 народных депутатов, передает 112 Украина.

Онлайн-трансляцию ведет канал "Рада".

В НАТО рассказали о гибридной кампании России в Македонии 1970-01-01 03:00

Россия использует в Македонии весь набор методов гибридной кампании, чтобы не допустить сближения страны с ЕС и НАТО.

Об этом заявил представитель департамента Объединенной разведки и безопасности Международного секретариата НАТО Хавьер Бейлон, передает ЕП.

Балуху позволили поговорить с сестрой, - правозащитники 1970-01-01 03:00

В керченской колонии, где сейчас вынужден находиться украинский активист Владимир Балух, состоялось короткое свидание с его сестрой, приехавшей из Волгоградской области России.

Об этом сообщает "Крымская правозащитная группа".

В Литве призвали Amazon изъять товары с советской символикой 1970-01-01 03:00

Литовские активисты добиваются изъятия из продажи товаров с советской символикой, которые продаются через интернет-сервис Amazon.

Как сообщает Delfi, на сайте Amazon можно найти десятки футболок с советской символикой - серпом и молотом.

День в ООС: Боевики 7 раз обстреляли позиции ВСУ 1970-01-01 03:00

В течение дня российские оккупационные войска 7 раз обстреляли оборонительные укрепления Объединенных сил, один военнослужащий был ранен.

Об этом сообщает пресс-центр ООС.

Из семи обстрелов, один обстрел боевики провели из вооружения, запрещенного минскими договоренностями.