Приобрести месячную подписку всего за 350 рублей
Самое интересное за месяц с комментариями шеф-редактора. То, что нельзя пропустить!

Общество

Килограмм уже не тот

2018
Пресс-служба ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

«Мне, пожалуйста, полкило колбасы и граммов двести карбонада…», — чтобы до конца осознать всю глубину этой фразы, нужно освоить принципы квантовой механики. Ведь теперь килограмм как единица массы будет определяться не через знаменитый платиновый эталон, хранящийся в Париже, а через физическую константу — постоянную Планка. Такое предложение вынесено на заседание Генеральной конференции по мерам и весам (это высший международный орган, отвечающий за единицы измерения). Килограмм перестанет быть последней единицей, привязанной к рукотворному носителю. Вместе с килограммом к абсолютным физическим константам привяжут градус, ампер и моль. Ученые называют эти перемены самыми значимыми за все время существования международной системы единиц

Человечество научилось измерять длину, массу, время и прочие важные параметры еще во времена Древнего Египта. Но на протяжении многих столетий с единицами измерения творился полный бардак. Особенно тяжко приходилось в Средневековье, когда на месте четкой Римской империи появилось множество независимых или полунезависимых государств.

Только одних фунтов было несколько десятков (английский, русский, австрийский, шведский, датский и так далее). И каждый из них соответствовал разным массам — от 410 до 560 граммов. Собственные единицы массы могло вводить не только государство, но даже какое-нибудь княжество или торговый городок. То же самое касалось и мер длины. Очень неудобно!

Конечно, когда дело касается продажи пшеницы или сосновых бревен, еще можно как-то договориться или просто пренебречь погрешностью измерений (все равно каждый торговец норовит немножко смухлевать). Но что делать, когда речь идет, например, о деталях для сложного станка, когда ошибка в миллиметр может привести машину в негодность?

Или, предположим, ваша страна ведет войну. На артиллерийской батарее кончаются боеприпасы, и союзники готовы оперативно доставить туда свои ядра. Но совпадут ли они по калибру с вашими пушками? Во время вражеской атаки придется понять, в каких единицах измеряется диаметр. Это классические английские дюймы — 2,53 см? Или старые прусские дюймы — 2,61 см? А может, новые прусские — 3,76 см? Или баварские — 2,91 см? Или венские — 2,63 см? Или курляндские — 3,36 см? Представьте себя на месте канониров, которым в разгар боя надо разобраться с единицами измерений, затем произвести перерасчет и только после этого заряжать пушку. Проще сдаться противнику, чем проделать все эти операции.

Призывы к созданию универсальных единиц измерения стали звучать с конца XVII века. Например, в 1675 году изобретатель и философ Тито Ливио Бураттини опубликовал книгу Misura universale («Универсальное измерение»), в которой предлагал свою систему физических единиц, в числе которых был и «католический метр» — кстати, довольно близкий к современному.

Нынешняя десятичная метрическая система появилась во многом благодаря Людовику XVI. Из интеллектуалов того времени он создал комиссию по выработке научно обоснованных единиц. К этому времени метр еще не был утвержден официально, но было примерно понятно, о чем идет речь. Из метра предлагалось вывести массу. По идее, главной единицей должна была стать нынешняя тонна — столько весит вода, налитая в куб со сторонами в метр. Но возиться с такими тяжелыми штуками в лаборатории было неудобно, и ученые предложили единицу под названием грав (grave). Это слово происходит от того же латинского корня, что и «гравитация». По-французски это значит «тяжесть», в английском добавляется еще одно значение — «могила». Один грав был эквивалентен массе воды в дециметровом кубе, то есть современному килограмму.

Но тут во Франции случилась революция. Людовику XVI отрубили голову. Закончил свою жизнь на гильотине и один из ключевых членов комиссии — знаменитый химик и физик Антуан Лавуазье. Республиканское правительство от идеи метрической системы не отказалось, благо она хорошо вписывалась в новую идеологию. Однако за единицу массы был взят водяной кубик с ребром в сантиметр. Так получился грамм. Официальное определение было принято 7 апреля 1795 года: «Грамм — это абсолютный вес объема чистой воды, равного кубу в сотую часть метра при температуре тающего льда».

Здесь опять сыграл роль фактор удобства. Работать с эталонами в один грамм очень хлопотно, особенно учитывая точность приборов того времени. Поэтому использовали базовую гирю в тысячу граммов, то есть — килограмм. Постепенно именно она стала восприниматься как основная. Килограмм стал главным средством измерения массы, а грамм — лишь его тысячной долей, хотя должно было быть наоборот, ведь все международные единицы с приставками кило-, милли-, мега- и так далее являются не базовыми, а производными от них. Ситуация противоречит общей логике, но так исторически сложилось.

Право килограмма считать себя главным было зафиксировано в Метрической конвенции, подписанной 20 мая 1875 года в Париже. Этот документ можно поставить в один ряд с Декларацией независимости США или Всеобщей декларацией прав человека. Семнадцать стран мира — от Франции и Германии до Оттоманской империи и Аргентинской конфедерации — договорились поддерживать единую систему измерений.

Помимо прочего, эта конвенция провозглашает создание Международного бюро мер и весов со штаб-квартирой во Франции. Именно там по сей день хранятся все эталоны. А высшим мировым органом объявлялась Генеральная конференция по мерам и весам. Именно ее решения влияют на судьбу всех основных единиц измерения, с которыми мы сталкиваемся. И сейчас она должна принять новые определения для четырех из семи важнейших единиц.

Апгрейд килограмма

Не пугайтесь — для нас килограмм так и останется килограммом, масса двухсотграммового куска колбасы не увеличится и не уменьшится. Точно так же не изменятся и значения ампера, градуса температуры и моля.

— Значение предстоящих перемен заключается в том, что теперь могут измениться некоторые понятия, которые большинство из нас изучало в школе и которые до сих пор воспринимаются нами как высеченные на камне. Платиноиридиевый прототип килограмма, который содержится под тремя замками в хранилище под Парижем, будет отстранен от дел — после 137-летней службы. Это, без всякого сомнения, будет означать конец эпохи, — заявляет Стивен Паторай, директор Международной организации законодательной метрологии.

Когда человек придумывал единицы измерения, то в первую очередь смотрел вокруг себя. Вот я сделал шаг — это примерно метр. Хорошо пообедал — в желудке оказалось около килограмма еды и жидкости. Прошли сутки — это почти 24 часа. Начали замерзать лужи — значит, температура опустилась ниже нуля.

Эти интуитивные единицы ученые привязали к более точным показателям. Например, тот же килограмм — это масса воды в кубическом дециметре. Но требования к точности становились все более жесткими — тысячные доли, миллионные, миллиардные. Чтобы выразить килограмм через воду, нужно, чтобы она была абсолютно чистой, без пузырьков, солей и так далее. Еще надо точно зафиксировать температуру и атмосферное давление. Но, оказывается, и этого недостаточно! Даже чистейшая вода содержит примеси тяжелых изотопов водорода и кислорода… Проще создать эталонную гирю, которая будет объявлена килограммом и с которой станут сверяться все гири мира. Так и поступили.

Нынешний эталон массы был изготовлен в 1889 году из платины (90%) и иридия (10%). Внешне он напоминает цилиндр со сглаженными углами высотой примерно 39 миллиметров. С момента создания он хранится в штаб-квартире Международного бюро мер и весов, расположенного в Севре, предместье Парижа. Всего было создано более 80 копий. Две копии международного эталона были переданы России, они хранятся во ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге.

Метр был переопределен еще в 1983 году, стал первой квантовой величиной. Но наш национальный эталон метра до сих пор хранится во ВНИИМ как государственное достояние 048_rusrep_23-1.jpg Пресс-служба ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Метр был переопределен еще в 1983 году, стал первой квантовой величиной. Но наш национальный эталон метра до сих пор хранится во ВНИИМ как государственное достояние
Пресс-служба ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Главные национальные эталоны сверяются с другими образцами, используемыми в стране, для чего используется прибор под названием компаратор. На основе проверенных эталонов выверяют другие — и так по цепочке вплоть до весов в магазине, на которых взвешивают колбасу.

Основной российский килограмм хранится как кощеева смерть — под тремя герметичными колпаками, в сейфе, который находится за толстенными дверями в особом помещении специального корпуса Института метрологии. Важно защитить российскую гирьку от любых воздействий — атмосферных, температурных, сейсмических.

— Периодически мы возим наш эталон во Францию, чтобы сверить с главным эталоном. Да, просто берем, помещаем в специальный контейнер, садимся в самолет и отправляемся в командировку. В каком-то смысле это вполне рутинная процедура, — рассказывает ведущий научный сотрудник ВНИИМ им. Д. И. Менделеева Виктор Снегов. Его должность называется красиво: ученый хранитель Государственного первичного эталона единицы массы, или, если проще, — хранитель килограмма.

С главным французским килограммом сравнивают и другие национальные образцы. И результаты этих сравнений выявили странный эффект — массы цилиндров, которые изначально были полностью идентичными, стали различаться. За сто лет один образец потяжелел почти на 70 микрограммов, другой — на 25, третий — на 45, а еще один вообще стал легче на 30 микрограммов. Да, речь идет о миллиардных долях. Но для самого главного эталона и это очень важно. А самое обидное — нельзя объективно проверить, как изменилась масса главного эталона: ведь сколько бы он ни весил, это всегда будет приниматься за килограмм.

Это и послужило одной из причин, по которой решено было отказаться от определения килограмма через рукотворный эталон. Вместо этого предложено использовать какую-то постоянную физическую величину, подсчитанную с высокой точностью.

— Если мы по каким-то причинам потеряем нынешний эталон, то мы потеряем все. А если использовать константы, то можно легко этот эталон воспроизвести. И неважно, каким именно он будет: золотым цилиндром или кремниевым шаром, — поясняет Снегов.

Виктор Снегов, ученый хранитель Государственного первичного эталона единицы массы, ведущий научный сотрудник ВНИИМ им. Д.И. Менделеева 049_rusrep_23-1.jpg Пресс-служба ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Виктор Снегов, ученый хранитель Государственного первичного эталона единицы массы, ведущий научный сотрудник ВНИИМ им. Д.И. Менделеева
Пресс-служба ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии

Еще в 1960 году подобная операция была проделана с метром. Главной единицей стал не кусок металла, а длина волны, излучаемой изотопом криптона, помноженная на определенный коэффициент. А в 1983 году определение метра стало совсем элегантным: длина пути, пройденного светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды. То есть скорость света зафиксирована как точная константа, а метр уже отстраивается от нее.

Секунда тоже привязана к процессам микромира — это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 по Кельвину.

Для килограмма в качестве константы было решено взять постоянную Планка, названную в честь физика Макса Планка, который предложил ее в начале XX века. Это не такая легкая для понимания константа, как скорость света. Ее называют «элементарным квантом действия», «границей между макромиром и микромиром», «коэффициентом, связывающим величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой».

Но главное — она может выражаться в джоулях, помноженных на секунды. В свою очередь, джоули могут быть сведены к массе, расстоянию и времени. Длина и время уже определены фундаментальными константами. Вычислив постоянную Планка, мы получим самое объективное определение килограмма. Сейчас эта константа уже подсчитана с точностью до 2 × 10–8. Ученые считают, что этого достаточно, чтобы объявить всему миру о новом принципе определения массы.

P. S. На момент подписания номера в печать еще не было ясно, примет ли Генеральная конференция по мерам и весам, проходящая с 12 по 16 ноября в Версальском дворце, новое определение килограмма и других единиц. В частности, для того чтобы можно было определиться с массой, должны с высокой точностью совпасть данные измерения постоянной Планка (это делается с помощью так называемых ватт-весов) и числа Авогадро (его получают путем подсчета количества атомов в кремниевой сфере). Но в любом случае килограмм уже никогда не будет прежним.

Семь главных единиц измерения

Все остальные можно получить на их основе

Название

Как определялась до недавнего времени

Как будет определяться

Килограмм

Масса полностью эквивалентная эталону, хранящемуся в Парижской палате мер и весов. Это последняя единица, связанная с искусственным объектом

В основе определения килограмма будет лежать постоянная Планка, которая сейчас определена довольно точно: 6,626070040 × 10−34 Дж·c

Метр

Длина пути, пройденного светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды

Концептуально ничего не изменится, лишь слегка скорректируют формулировку

Секунда

Время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К

Здесь то же самое, что и с метром

Ампер

Сила тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютона

Это громоздкое определение предполагается отменить, а новое сделать на основе элементарного электрического заряд — такой, например, имеет электрон и протон. Сегодня он подсчитан с точностью до многомиллиардных долей — 1,6021766208(98) × 10−19 кулона

Кельвин

Градус температуры, который равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (это примерно ноль по шкале Цельсия)

Кельвин — изменение термодинамической температуры T, которое приводит к изменению тепловой энергии kT точно на 1,38064852(79) × 10–23 джоуля, где k — постоянная Больцмана

Моль

Количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов или других частиц), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг

Определение будет привязано к числу Авогадро, которое сейчас определено с очень высокой точностью: 6,02214129(27) × 10²³ моль⁻¹

Кандела

Сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср

Предполагаются небольшие уточнения формулировки

История метра

Как определяли метр в разные эпохи

Год

Определение метра

1790

Длина маятника с полупериодом колебаний в одну секунду. Поскольку на скорость колебаний влияет удаленность от экватора, то в определении метра было сделано уточнение — этот маятник должен находиться на широте 45° (например, в Бордо или Венеции)

1795

1⁄10 000 000 часть четверти Парижского меридиана

1799

Платиновый эталон Metre des Archives

1889

Платиноиридиевый эталон при температуре таяния льда

1927

Платиноиридиевый эталон с еще более детальным уточнением: при температуре таяния льда и атмосферном давлении, поддерживаемый двумя роликами

1960

Длина волны оранжевой линии спектра, излучаемого изотопом криптона-86 в вакууме, умноженная на 1 650 763,73

1983

Длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды

№23 (462)
Подписаться на «Эксперт» в Telegram



    Реклама




    Курс на цифровые технологии: 75 лет ЮУрГУ

    15 декабря Южно-Уральский государственный университет отметит юбилей. Позади богатая достижениями история, впереди – цифровые трансформации

    Дать рынку камамбера

    Рынок сыра в России остается дефицитным. Хотя у нас в стране уже есть всё — сырье, поставщики оборудования и технологии

    Струйная печать возвращается в офис

    Обсуждаем с менеджером компании-лидера в индустрии струйной печати

    Когда безопасность важнее цены

    Экономия на закупках кабельно-проводниковой продукции и «русский авось» может сделать промобъекты опасными. Проблему необходимо решать уже сейчас, пока модернизация по «списку Белоусова» не набрала обороты.

    Новый взгляд на инвестиции в ИТ: как сэкономить на обслуживании SAP HANA

    Экономика заставляет пристальнее взглянуть на инвестиции в ИТ и причесать раздутые расходы. Начнем с SAP HANA? Рассказываем о возможностях сэкономить.

    Аквапарк на Сахалине: уникальный, всесезонный, олимпийский

    Уникальный водно-оздоровительный комплекс на Сахалине ждет гостей и управляющую компанию

    Армения для малых и средних экспортеров

    С 22 по 24 октября Ассоциация малых и средних экспортеров организует масштабную бизнес-миссию экспортеров из 7 российских регионов в Армению. В программе – прямые В2В переговоры и участие в «Евразийской неделе».


    Реклама