Сколько весит килограмм?

На модерации Отложенный Под семью замками, глубоко под землей в парижском предместье лежит кусок металла размером со сливу. На первый взгляд, предмет совсем не примечательный. Но этот "Le Grand K", или международный прототип, имеет поистине глобальное значение.

Этот цилиндр из платины и иридия - единственный известный ученым предмет на земле, масса которого равна точно 1 килограмму.

Этот предмет определяет саму эту единицу массы. Таким образом, все объекты, измеряемые килограммами - мешок ли сахара или авианосец - определяются отношением массы к "Le Grand K".

Этот предмет, как и несколько его копий, был отлит в Лондоне в 1880-е.

"Le Grand K" был передан на хранение в Международное бюро мер и весов (МБМВ) во Франции, а остальные разъехались по миру, пользующемуся метрической системой, чтобы служить арбитрами в измерении массы. В Великобритании, например, имеется своя копия, она называется "Килограмм 18".

Каждые несколько лет все эти "родственники" едут в Париж, и их сравнивают с "Le Grand K", чтобы убедиться, что каждый из них исполняет "одну и ту же песню".

Микроскопическая разница

Но около 30 лет назад выяснилось.

Выяснилось, что международный прототип не обладает больше той же массой, что остальные цилиндры. И с тех пор эта разница увеличивается.

"По отношению к среднему показателю всех копий, сделанных на протяжении последних 100 лет, можно сказать, что он теряет вес, однако он этого не может делать по определению, - объясняет доктор Ричард Стайнер из американского Национального института стандартов и технологии (НИСТ). - Выходит, что на самом деле вес набирают другие".

Флуктуации достигают приблизительно 50 к 1 миллиарду; это меньше, чем 1 крупица сахара по отношению к целому мешку. Но, какой бы микроскопической она ни была, эта перемена может иметь огромные последствия, особенно для ученых, которым требуется точнейшее определение килограмма для массы самых разных измерений, в том числе, например, вольтажа.

Однако поскольку все эти металлические килограммы измеряются по отношению друг к другу, вопрос о том, какой из них теряет вес, а какой набирает, остается открытым.

"Мы просто не знаем", - признает доктор Стайнер.

Если они все же теряют массу, то, в соответствии с одной из версий, это происходит потому, что атмосферные загрязнители, вплавленные в цилиндры в момент их отливки, со временем испарились.

Если же масса набирается, то причиной может быть то обстоятельство, что чушка с платиновой основой впитывает в себя ртуть из атмосферы или водород из смесей, которыми эти цилиндры чистят.

А нестабильность "Le Grand K" по отношению к остальным может объясняться тем фактом, что его вытаскивают на свет менее часто, чем его собратьев.

Вывод же состоит в том, что цилиндры пережили отведенный им срок и уже не служат абсолютно точным определением килограмма, а значит, ученым во всем мире приходится думать о том, как же теперь его определять.

Балансирующая сила

На следующей неделе в Париже встретятся хранители мер, члены Генеральной конференция мер и весов, и одним из пунктов в повестке дня их заседания станет оценка прогресса в этой области.

Сейчас рассматриваются два пути выхода из проблемы "Le Grand K". Оба основаны на определении массы, исходящем из чего-то неизменного в природе, то есть на том же методе, на котором строятся все остальные базовые научные единицы.

К примеру, метр изначально измерялся по латунному лекалу, но сегодня он характеризуется как дистанция, которую луч света проходит в вакууме за очень точно определенную частицу секунды.

Один из способов определения килограмма состоит в использовании так называемого "ватт-баланса", который - наряду с другими вещами - может применяться для характеристики квантово-механической константы, известной как постоянная Планка.

"Постоянная Планка - это коэффициент, связывающий энергию величину энергии электромагнитного излучения с частотой в фотоне, - поясняет доктор Сетон Беннетт, заместитель директора британской Национальной физической лаборатории (НФЛ). - Она соотносится с огромным количеством других констант, так что в физике она встречается всюду, особенно в уравнениях, описывающих действие ватт-баланса".

Этот сложный прибор, изобретенный здесь же, в НФЛ, состоит из вакуумно-герметичного балансира, сверхмощного магнита и реплики 1 килограмма. "Ватт-баланс позволяет балансировать ток, проходящий через [проводную] катушку в магнитном поле, по отношению к силе гравитации, действующей на килограмм", - говорит доктор Беннетт.

Точное измерение

Достигается это посредством погружения катушки в магнитное поле, что создает направленную вниз электромагнитную силу. Регулируя проходящий через катушку ток, можно добиться того, что гравитация, тянущая килограмм к земле, будет абсолютно сбалансирована противодействующей силой.

Затем проводится второй эксперимент, цель которого - измерения силы магнитного поля. "Когда результаты этих экспериментов совмещаются, уравнение дает вам результат, содержащий постоянную Планка", - говорит доктор Беннетт.

Таким образом, эта постоянная неразрывно связывается с массой килограмма. С помощью изменения переменных в уравнении постоянную можно использовать для определения массы килограмма.

"Мы добиваемся таких экспериментальных результатов, которые будут не менее точными, чем 50 к 1 миллиарду, - говорит ученый. Эта как раз тот показатель, который определяет флуктуацию современного стандарта килограмма. - Если мы добьемся большей точности, то сможем предложить такое определение, которое будет правильным и не будет меняться со временем".

Доктору Стайнеру из НИСТ уже удалось измерить постоянную Планка с погрешностью 36 к миллиарду.

Но его результаты и результаты НПЛ отличаются друг от друга, что заставляет ученых по обе стороны Атлантики чесать в затылке.

Golden globe

Но есть и другой, более интуитивный подход.

"Мы хотим заново определить килограмм на основе массы атома, - говорит профессор Питер Беккер из Национального института метрологии (НИМ) в Германии. - Мы хотим сосчитать атомы в одном килограмме определенного кристалла".

Этот проект называется по имени постоянной Авогардо - по общему количеству атомов в 12 граммах (0,012 килограмма) углерода-12. Однако вместо углерода-12 профессор Беккер выбрал другой кристалл, кремниевую сферу размером с грейпфрут.

"Мы измеряем объем сферы и объем атома кремния, - поясняет он. - И когда вы делите кремниевую сферу на объем атома, то получаете количество атомов - все очень просто".

Ну, не так уж и просто. В этой сфере - около 50 септильонов (триллион триллионов) атомов, и первые опыты показывают, что измерить их можно с погрешностью лишь в несколько единиц на 10 миллионов, что далеко от необходимой.

Проблема в том, что кремний проявляется в изотопах - различных формах одного и того же элемента с различными массами.

Чтобы справиться с этой проблемой, профессор Беккер попросил российских ученых вырастить сферы кремния массой в 1 килограмм, на 99,99% состоящие из атома одного типа, известного как кремний-28. Материал для этих сфер стоит 1 миллион евро.

"Это дает нам возможность получить результат с приемлемым уровнем погрешности", - говорит профессор.

Повторение истории

На сегодняшний день похоже, что метод ватт-баланса опережает подсчет числа атомов и поэтому может стать именно тем методом, который и будет определять килограмм, признает профессор Беккер. Но не думает, что его работа пропадет втуне.

"Если решение будет принято в пользу ватт-баланса, тогда мы сможем независимо подтвердить результаты эксперимента", - говорит он.

Того же мнения придерживается и доктор Беннетт: "Эти два эксперимента связаны друг с другом, так что их результаты должны быть одинаковыми".

Однако это будет только началом нового определения килограмма. В мире мер и стандартов все должно быть совершенно точным и воспроизводимым.

"Должен быть еще и некий стандартный инструмент - будь то ватт-баланс или что-то еще, - который можно использовать для наблюдения за килограммом, в противном случае мы снова столкнемся с такой же ситуацией, - говорит доктор Беннетт. - Я думаю, на самом деле мы еще долгие годы будем пользоваться все тем же килограммом, хранящимся в Париже".