# Как ученые измеряют сверхмалые силы: от граммов до фемтоньютонов

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=pXoZQsZP2PY
Канал: Veritasium
Опубликовано: 12.12.2022

---

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
[[JUMP: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
[[JUMP: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
[[JUMP: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
[[JUMP: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?
[[JUMP: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.