Для современной науки эталон килограмма — это «проблема», решение которой потребовало пересмотра фундаментальных принципов метрологии. Более двух столетий вес одного килограмма определялся массой металлического цилиндра, хранящегося в защищенном сейфе в Париже. Однако, как выяснили исследователи, этот физический объект не является неизменным, и сегодня человечество переходит на новый, универсальный способ определения массы, основанный на фундаментальных константах Вселенной.
⚖️ Конец эпохи физических эталонов 0:13
С 1799 года эталон килограмма оставался последней базовой единицей системы СИ (SI), привязанной к конкретному материальному объекту. За минувший век ученые неоднократно сравнивали этот международный прототип с его официальными копиями из разных стран, и результаты оказались неутешительными: их масса начала расходиться. Разница достигла примерно 50 микрограммов, или 50 частей на миллиард.
Для науки, где точность имеет критическое значение, наличие «плавающего» стандарта недопустимо. Ранее аналогичная проблема была решена с метром: в 1983 году его перестали определять через платиновую линейку, заменив на расстояние, которое свет проходит в вакууме за фиксированную долю секунды. Подобный подход решили применить и к килограмму, перенеся точку опоры с изменчивого физического предмета на неизменные мировые константы.
🔬 Два пути к идеальному весу 1:49
Для переопределения килограмма рассматривалось несколько стратегий, две из которых показали наилучшие результаты:
- Кремниевая сфера: использование идеально отшлифованной сферы из кремния для точного определения числа Авогадро.
- Баланс Киббла (ранее известный как «ватные весы»): использование электромагнитных сил для определения постоянной Планка.
Ведущий канала Veritasium отмечает, что оба подхода дополняют друг друга. По его мнению, метод с кремниевой сферой, по сути, берет начало из химии, в то время как баланс Киббла — из физики. Тот факт, что результаты независимых измерений, основанных на разных дисциплинах, совпадают, дает ученым высокую степень уверенности в корректности нового определения.
⚙️ Как работает баланс Киббла 3:08
Баланс Киббла, названный в честь своего изобретателя Брайана Киббла (ушедшего из жизни в 2016 году), работает в двух режимах, позволяя исключить влияние переменных, которые сложно измерить напрямую.
- Режим взвешивания: на одну чашу помещается эталон массой 1 кг, а через катушку в магнитном поле пропускается ток, создающий электромагнитную силу, уравновешивающую вес объекта.
- Режим скорости: эталон убирается, а катушка приводится в движение с постоянной скоростью через то же магнитное поле. Это движение индуцирует напряжение, что позволяет вычислить параметры магнитного поля и длину провода, исключив их из уравнения.
В результате уравнивания электрической и механической мощности возникает понятие «ватных весов». Чтобы связать это с постоянной Планка, ученые используют макроскопические квантовые эффекты, такие как переходы Джозефсона. Применяя микроволновое излучение к сверхпроводникам, исследователи могут крайне точно измерять напряжение, а с помощью квантового эффекта Холла — сопротивление.
📏 Точность в деталях 7:12
Чтобы достичь точности в 10 частей на миллиард, необходимо учитывать мельчайшие факторы. Скорость движения катушки измеряется лазерным интерферометром, который подсчитывает световые интерференционные полосы.
Локальное ускорение свободного падения (g) измеряется специальным гравиметром, который отслеживает падение отражателя в вакуумной трубке. Ученым даже приходится учитывать внешние воздействия: положение Солнца и Луны и изменение уровня грунтовых вод под зданием могут влиять на гравитацию с такой степенью точности.
Благодаря этой работе, начиная с 2018 года, килограмм официально определяется через фиксированное значение постоянной Планка, завершая эру зависимости от «парижского цилиндра».
