# Veritasium: как ученые «отменили» эталон килограмма

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=Oo0jm1PPRuo
Канал: Veritasium
Опубликовано: 12.07.2017

---

## Переопределение килограмма: конец эпохи «эталонного цилиндра» ⚖️
[[JUMP:0:00]]

Человечество стоит на пороге фундаментальной смены научной парадигмы: килограмм, на протяжении более двух столетий определявшийся через физический объект, переходит в разряд величин, основанных на незыблемых константах Вселенной. Ведущий канала Veritasium отправился в Национальную лабораторию метрологии (NIST) вблизи Вашингтона, чтобы разобраться, как именно ученые «отменяют» физический эталон и почему это стало жизненно необходимо для современной науки.

### Проблема «стареющего» эталона 🕰️
[[JUMP:0:13]]

С 1799 года официальным определением килограмма был платиново-иридиевый цилиндр, хранящийся в охраняемом хранилище в предместье Парижа. Однако за последние 100 лет выяснилось, что масса этого «Международного прототипа килограмма» и его национальных копий начала расходиться.

* **Отклонение:** Разброс массы между эталонами достиг примерно 50 микрограммов (или 50 частей на миллиард).
* **Научная неприемлемость:** Для современной высокоточной науки иметь стандарт, который самопроизвольно меняет свою массу, недопустимо.
* **Последний из могикан:** Килограмм оставался последней базовой единицей системы СИ, привязанной к материальному объекту. Ранее, в 1983 году, метр был переопределен через скорость света: теперь он равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Принцип переопределения прост: ученые берут существующую физическую величину, максимально точно измеряют ее связь с фундаментальной константой Вселенной, а затем фиксируют значение этой константы «навечно». Это переносит точку истины с капризного куска металла на неизменные законы физики.

### Два пути к новой истине: кремний против планка 🧪
[[JUMP:1:49]]

Для переопределения килограмма рассматривались два основных метода. Оба они направлены на то, чтобы связать массу с фундаментальными константами, которые можно измерить с невероятной точностью:

1.  **Кремниевая сфера:** Использование идеально чистой сферы из кремния для определения числа Авогадро.
2.  **Весы Киббла (ранее — «ватт-весы»):** Использование электромагнитного устройства для определения постоянной Планка.

Как объясняет ведущий Veritasium, эти методы дополняют друг друга. Постоянная Авогадро имеет «химические» корни, а постоянная Планка — «физические». Если результаты измерений, полученные двумя принципиально разными способами, совпадут, это станет мощным доказательством правильности выбранного пути.

### Как работают весы Киббла 🏗️
[[JUMP:3:08]]

Весы Киббла, названные в честь изобретателя Брайана Киббла (ушел из жизни в 2016 году), работают в двух режимах, позволяющих измерить массу через электрические величины.

1.  **Режим взвешивания (Weighing mode):** На одну чашу весов помещается эталон массой 1 кг, а через катушку в магнитном поле пропускается ток. Ток подбирается до тех пор, пока электромагнитная сила не уравновесит вес гири. В этот момент масса умноженная на ускорение свободного падения равна произведению магнитной индукции, длины провода и силы тока.
2.  **Режим скорости (Velocity mode):** Гирю убирают, и катушку начинают перемещать в магнитном поле с постоянной скоростью. Это наводит напряжение, которое зависит от тех же параметров (магнитное поле и длина провода).

Математически объединив два уравнения, ученые исключают неизвестные параметры (магнитное поле и длину проволоки). В итоге, механическая мощность (масса × гравитация × скорость) уравнивается с электрической (напряжение × ток) — отсюда и старое название «ватт-весы».

### Квантовая точность ⚛️
[[JUMP:5:08]]

Чтобы достичь требуемой точности, измерение напряжения и тока опирается на квантовые эффекты:

* **Переходы Джозефсона:** Используются для предельно точного измерения напряжения. Стек из сотен тысяч таких переходов позволяет создавать напряжение, значение которого известно с абсолютной точностью через постоянную Планка, частоту излучения и заряд электрона.
* **Квантовый эффект Холла:** Позволяет измерять сопротивление, также опираясь на фундаментальные физические величины.

В конечном итоге, все переменные сводятся в уравнение, где масса 1 кг выражается через постоянную Планка. Для реализации этого метода с точностью до 10 частей на миллиард необходимо учитывать даже такие тонкие факторы, как влияние гравитации Луны, Солнца и изменение уровня грунтовых вод под зданием лаборатории.

После 2018 года килограмм перестал быть просто «металлической болванкой в парижском подвале». Теперь его значение незыблемо закреплено через постоянную Планка, что открывает новую эру в метрологии — эпоху, когда измерения больше не зависят от физического состояния материи.