Из-за чего килограмм «перевесят»
Сегодня в Париже на Генеральной конференции по мерам и весам будет принято новое определение килограмма, ампера, кельвина и моля. Петербург имеет к этому прямое отношение: в нашем городе находится Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии (ВНИИМ), преемник Главной палаты мер и весов, созданной Д. И. Менделеевым, носящий его имя. Этот институт - главный национальный хранитель этих единиц.
Фото: pixabay / Free-Photos
На килограммах объяснить проще, чем на других единицах Международной системы SI, на нем и проиллюстрируем суть произошедшего. Что килограмм не всегда равен килограмму, знает любой, кого хоть разок обвесили. В 1875 году в Париже представители 17 государств (среди них была и Россия) подписали метрическую конвенцию: она утвердила платиноиридиевые прототипы килограмма в качестве международных эталонов.
Международный прототип килограмма («главный мировой кг») хранится в Международном бюро мер и весов в Севре под Парижем. Это прямой цилиндр диаметром и высотой около 39 мм, состоящий из сплава платины (90%) и иридия (10%). В 1889 году были изготовлены 42 копии этого килограмма, две остались в Международном бюро мер и весов, остальные были распределены между государствами, подписавшими Метрическую конвенцию. Россия получила две копии - № 12 (как национальный прототип) и № 26 («про запас»). Примечательно, что оба килограмма пережили три революции, Гражданскую и две мировые войны и так и хранятся в лаборатории массы и силы ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.
Но в материальном мире ничего постоянного нет, за сто с лишним лет наш национальный прототип килограмма изменился в массе на 30 микрограммов, то есть по 0,3 мкг за год. С остальными национальными прототипами случилась в той или иной мере та же неизбежная неприятность. А в нынешних постоянно растущих требованиях к точности это неприемлемо.
Еще в 1970-х ученые стали искать, как определять массу через атомные или фундаментальные физические константы. Наилучшим оказался вариант, который без запинки не произнесешь: через массу атомов кремния с фиксированным значением постоянной Авогадро; или (тоже не лучше) через постоянную Планка с помощью сравнения электрической и механической мощности на специальных ватт-весах (киббл-весах, сложнейшем инженерном комплексе).
И вот сейчас, с 12 по 16 ноября, в Версальском дворце в рамках Генеральной конференции по мерам и весам будет принято официальное решение о глобальном переходе на фундаментальные физические константы в определении четырех основных единиц Международной системы SI.
Вообще этот пересмотр будет самым значимым как по масштабу, так и по объему проведенных исследований, в которых участвовали и российские ученые. Событие тем более историческое, что килограмм до сих пор оставался последней метрической единицей, привязанной к рукотворному объекту. Теперь вместо платиноиридиевого цилиндра мерилом станет атомный килограмм, определяемый через фиксированное значение постоянной Планка (h = 6 626070 040), а артефактом - идеальная сфера из моноизотопного (очищенного) кремния с известным количеством и весом атомов. В отличие от прежнего артефакта килограмма ее сохранность не будет критической: любой национальный метрологический институт сможет ее воспроизвести.
Другие единицы также будут привязаны к фиксированным квантовым определениям: кельвин будут определять через постоянную Больцмана, ампер - через квантовые эффекты Холла и Джозефсона, моль - через постоянную Авогадро. Таким образом завершится полный переход системы SI на неизменные природные константы.
Российские ученые участвовали и в разработках сложнейшего оборудования для переопределения и совершенствования эталонной базы, освоили методики сверхточного вакуумного взвешивания, расширили измерительные возможности в области электрических и температурных величин. «По своим измерительным возможностям, признанным на международном уровне, Россия удерживает второе место в мире, опережая многие экономически и технологически развитые страны», - говорит руководитель Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии Алексей Абрамов.
Те страны, где еще нет нужного оборудования, будут, как и прежде, использовать национальные копии килограмма. Но теперь, чтобы удостовериться в точности своих копий, смогут обращаться не только в Севр, в Международное бюро мер и весов, но и в другие национальные метрологические институты, в том числе в наш. Российская платиноиридиевая копия - национальный прототип килограмма № 12 недавно «проверен», необходимость его перекалибровки появится не раньше 2024 - 2029 годов, а к этому сроку Россия уже наладит независимое определение килограмма через постоянную Планка с необходимой точностью.
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 214 (6323) от 16.11.2018 под заголовком «Килограмм «перевесят»».
Комментарии