Великая килограммовая революция: переопределение основной единицы измерения массы

20 мая 2019 года вошло в историю как день, когда человечество официально изменило определение одной из основных единиц измерения – килограмма
Прощание с "Большим К"
Переосмысление килограмма
Глобальное переопределение

20 мая 2019 года вошло в историю как день, когда человечество официально изменило определение одной из основных единиц измерения – килограмма. Это событие ознаменовало завершение многолетней работы ученых по поиску более точного и универсального эталона, который бы не зависел от физического объекта. Так началась великая килограммовая революция.

Прощание с "Большим К"

На протяжении последних 130 лет эталоном килограмма служил цилиндр из сплава платины и иридия, хранящийся в Международном бюро мер и весов в Париже. Этот артефакт, известный как "Большой К" или "Прототип килограмма", был изготовлен в 1889 году и с тех пор считался единственным истинным воплощением килограмма. Все остальные эталоны по всему миру калибровались именно по этому цилиндру.

Однако, как и любой физический объект, "Большой К" был подвержен износу и загрязнению. Несмотря на то, что цилиндр хранился в строго контролируемых условиях, за более чем вековую историю его масса изменилась примерно на 50 микрограммов. Для обычного человека это ничтожно малая величина, но для метрологов, людей, посвятивших свою жизнь точности измерений, это серьезная проблема.

Кроме того, сама концепция привязки единицы измерения к конкретному объекту казалась ученым архаичной и несовершенной. В эпоху квантовых технологий и космических исследований нужен был более надежный и "вечный" эталон.

Переосмысление килограмма

Поиском нового определения килограмма ученые занимались не одно десятилетие. Было предложено несколько вариантов, в том числе привязка к массе определенного количества атомов кремния или к величине, называемой постоянной Планка. В конце концов, в ноябре 2018 года на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам в Версале было принято историческое решение: переопределить килограмм через постоянную Планка.

Постоянная Планка – фундаментальная константа квантовой физики, связывающая энергию фотона с его частотой. Ее значение было зафиксировано на уровне 6,62607015 × 10⁻³⁴ Дж⋅с. Теперь, зная точное значение постоянной Планка, можно вывести эталон килограмма, используя сложные физические уравнения и специальный прибор, называемый ватт-весами.

Ватт-весы, или баланс Киббла, названный в честь своего изобретателя Брайана Киббла – устройство, которое позволяет измерить массу объекта с беспрецедентной точностью, используя электромагнитные силы. Оно состоит из катушки, помещенной в магнитное поле, и точных лазерных интерферометров для измерения скорости движения катушки. Сопоставляя электрическую мощность и механическую силу, ватт-весы позволяют связать массу с постоянной Планка и таким образом реализовать новое определение килограмма.

Глобальное переопределение

Переопределение килограмма стало частью масштабной ревизии Международной системы единиц (СИ), в ходе которой были также переопределены три другие основные единицы: ампер, кельвин и моль. Теперь все единицы СИ привязаны к фундаментальным константам природы, а не к физическим артефактам или свойствам материалов.

Этот переход имеет далеко идущие последствия не только для метрологии, но и для науки в целом. Новое определение килограмма открывает путь к созданию более точных и универсальных эталонов массы, которые могут быть воспроизведены в любой лаборатории мира, имеющей необходимое оборудование. Это важно для таких областей, как фармацевтика, где дозировка лекарств критически зависит от точности взвешивания, или для высокотехнологичных производств, где требования к точности измерений постоянно растут.

Кроме того, переопределение единиц СИ через фундаментальные константы – это торжество нашего понимания устройства Вселенной. Оно демонстрирует, что человечество достигло того уровня знаний о природе, когда мы можем использовать ее неизменные законы для создания надежных и точных систем измерения.

Конечно, для рядового потребителя переопределение килограмма пройдет незаметно. Мы по-прежнему будем покупать продукты и товары, отмеряя их в граммах и килограммах, и в нашей повседневной жизни ничего не изменится. Но для научного сообщества это событие знаменует начало новой эры, в которой измерения станут более точными, надежными и согласованными во всем мире.

Великая килограммовая революция свершилась. Король умер, да здравствует король! Теперь у нас есть новый, более совершенный килограмм, который будет служить человечеству не одну сотню лет. И хотя мы прощаемся с платиново-иридиевым цилиндром, хранящимся в Париже, его значение в истории науки неоспоримо. "Большой К" был верным и надежным эталоном, но настало время двигаться вперед, к новым горизонтам точности и универсальности.

30.03.2024 | Размышлять | Просмотры: 84