Как ученые измеряют невероятно малые силы, способные фиксировать давление света или вес отдельной частицы пыли? Ведущий канала Veritasium отправился в Национальную лабораторию (NIST), чтобы увидеть, как работают самые точные весы в мире и почему современная наука отказалась от эталонного килограмма в пользу фундаментальных констант природы.
⚖️ Эволюция измерений: от Парижа до планкиевской постоянной 0:25
На протяжении долгого времени человечество опиралось на физические объекты для определения массы. Самым известным стандартом был платино-иридиевый цилиндр, хранившийся в хранилище под Парижем. Его копии рассылались по всему миру, чтобы страны могли калибровать свои весы.
Однако со временем выяснилась серьезная проблема: масса эталонов начала «гулять». За столетие эталоны из разных стран стали отличаться друг от друга на величину до 75 микрограммов. Никто не мог с уверенностью сказать, стали ли копии тяжелее или оригинал потерял в весе.
Чтобы исключить зависимость от нестабильного физического объекта, ученые приняли радикальное решение — переопределить килограмм через фундаментальную константу природы, а именно постоянную Планка.
- В 2019 году значение постоянной Планка было официально зафиксировано, что позволило связать массу с энергией через уравнения $E=hf$ и $E=mc^2$.
- Теперь килограмм определяется через эту константу, а также через точные определения метра и секунды.
- Преимущество такого подхода в том, что теперь измерения можно проводить с помощью высокотехнологичных устройств, таких как «киббл-баланс» (kibble balance), которые переводят массу в электрические величины.
🔬 Масштабирование: от килограмма к миллиграммам 2:20
Для работы с объектами, которые намного легче килограмма, используется метод подразделения массы. Ученые сравнивают известные эталоны между собой, постепенно спускаясь до миллиграммовых значений.
Это крайне кропотливый процесс. Специалисты используют инструменты, напоминающие лабораторную хирургию:
- Для очистки эталонов от микроскопической пыли применяются безворсовые щетки и специальные салфетки.
- Формы гирек имеют особые геометрические очертания (например, пятиугольную для 500 мг), чтобы их было проще идентифицировать.
- Несмотря на точность, каждый этап деления массы добавляет небольшую погрешность.
🎛️ Лаборатория сверхмалых сил 6:19
В лаборатории NIST, расположенной глубоко под землей, ученые используют «электростатические весы» (EFB) для работы в миллиграммовом диапазоне. В отличие от электромагнитных весов, здесь используется конденсатор: подача напряжения на концентрические цилиндры создает притяжение, которое уравновешивает силу гравитации.
Условия эксперимента требуют экстремальной стабильности:
- Температура воздуха поддерживается строго на уровне 20°C, чтобы избежать теплового расширения приборов.
- Измерения проводятся в вакууме, что исключает влияние воздушных потоков и выталкивающей силы атмосферы.
- Точное ускорение свободного падения в точке лаборатории было измерено специалистами USGS.
На этом уровне точности исследователи способны измерять силы порядка 10 микроньютонов, что делает данную лабораторию одной из самых точных в мире.
🧪 На пределе возможностей: фемтоньютоны и ДНК 9:51
Для измерения еще меньших сил — на уровне наноньютонов и пиконьютонов — используются кантилеверы атомно-силовых микроскопов. Они представляют собой миниатюрные «трамплины», изгиб которых позволяет вычислить приложенную силу.
Самые же невероятные измерения достигают уровня фемтоньютонов. В этом диапазоне ученые работают с кварцевыми гибкими конструкциями, которые вибрируют с чистой частотой. Используя лазерную интерферометрию, они могут фиксировать даже давление света: отражение лазерного луча от поверхности создает силу, достаточную для растяжения молекулы ДНК (около 7 пиконьютонов).
💡 Зачем измерять невидимое? 12:16
Вопрос о практическом применении таких измерений имеет вполне приземленные ответы:
- Экология: Производителям автомобилей необходимо измерять массу микрочастиц в выхлопных газах дизельных двигателей, чтобы соответствовать экологическим стандартам.
- Промышленность: Малые силы используются для калибровки мощности лазеров в индустриальных процессах.
- Фармацевтика: Точное взвешивание микродоз лекарств критически важно для качества препаратов.
- Фундаментальная наука: Способность измерять невероятно малые величины открывает двери для новых физических открытий, которые позже превращаются в новые стандарты метрологии.
