Из единиц системы СИ килограмм последним потеряет физический эталон

Метрологи собираются в Париже, чтобы избавиться от эталона килограмма. В самом деле, масса отстала от всех: в XXI веке, когда метр, секунда и другие базовые единицы давно определены через формулы и сверхточные измерения, килограмм по-прежнему можно взять в руки и поднять – эталон хранится в Международном бюро мер и весов в предместье Парижа.

Наука

# килограмм

# метрология

# система мер

# система СИ

# эталон

©Wikipedia / Автор: Александр Литвинов

Это единственная единица системы СИ, полагающаяся на физический объект. Уже 126 лет болванка из платины и иридия остается главным килограммом планеты – или просто «Большим К» (Le Grand K). Проблема тут не столько в точности, сколько в стабильности эталона. Физический объект – вещь ненадежная, и тот же эталон килограмма мало-помалу испаряется, теряя атом за атомом. При современном уровне измерений это заметно. И это, конечно, неудобно: для того, чтобы свериться с эталоном, требуется отправляться во Францию.

Иное дело – строгие константы и формулы, пользуясь которыми можно установить нужную массу в любой момент, где угодно и с громадной точностью. Недаром все единицы СИ давно уже определили через соответствующие физические процессы и зависимости. Скажем, метр – это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 с. А секунда – это 9192631770 колебаний покоящегося атома цезия-133 при температуре 0 К с одного энергетического уровня на другой.

Эксперименты, необходимые для переопределения единицы килограмма на новый лад, были проведены еще несколько десятилетий назад. Однако специалистам понадобилось уточнить массу деталей, и лишь теперь – к большому обновлению международной системы единиц, намеченному на 2018 год, – они объявили о готовности перейти от «Большого К» к более подходящим определениям. На этой неделе в Париже пройдет встреча Международного комитета мер и весов, на которой эксперты сформулируют дальнейшие шаги.

За основу «нового» килограмма будут взяты знаменитейшие формулы: эйнштейновская E=mc², связывающая массу с энергией, и планковская E=h?, которая связывает энергию частицы с частотой ее колебаний. Видно, что отсюда достаточно легко вывести массу, измерив частоту и с достаточной точностью зная две постоянные – скорость света в вакууме (с) и постоянную Планка (h). Именно в этом и состояли затруднения: для того, чтобы такой подход работал, CIPM требовал совпадения минимум трех измерений постоянной Планка, причем минимум два из них должны быть проведены с использованием разных методов и подходов.

Для уточнения значения постоянной Планка уже несколько лет работают довольно большие группы исследователей, в том числе из Avogadro Project, которые проводят подсчет атомов в сферах кремния-28, весящих ровно по килограмму: через число Авогадро можно определить и нужную константу. Работа оказалась трудной, однако в августе нынешнего года было опубликовано значение постоянной Планка с точностью до 12 частей на миллиард – этого достаточно даже требовательным экспертам CIPM.

Следующие шаги в данном направлении станут известны уже скоро: сегодня, 15 октября, в Париже открывается сессия CIPM. На ней планируется обсудить черновую формулировку нового определения килограмма (а также ампера, моля и Кельвина) для предстоящей большой и судьбоносной конференции 2018 года. Уточнения данных по постоянной Планка принимаются до 1 июля 2017-го – в частности, комитет ожидает новых данных от российских исследователей.

Скорее всего, они лишь уточнят результат, опубликованный недавно, но, если эти цифры разойдутся, международное метрическое сообщество окажется в непростой ситуации. «Тогда нас ждут проблемы, – говорит физик из американского института стандартов NIST Дэвид Ньювелл (David Newell). – Но я вполне уверен, что этого не произойдет. У поезда большая инерция, и чтобы сбить его с пути, должно произойти нечто очень серьезное».