Великая килограммовая революция

Единицы измерения массы, силы тока, температуры и количества вещества получили новое определение
Григорий Тарасевич    

В Версале опять переворот. На этот раз свергают, конечно, не монархию, но почти такую же незыблемую святыню — эталон килограмма. Цилиндрическая гирька из сплава платины с иридием была изготовлена в конце XIX века и хранилась в предместье Парижа как Кощеева смерть — под тремя герметичными колпаками, в сейфе, помещённом в специальный подвал. Масса долгое время оставалась единственным параметром, который определялся с помощью рукотворного образца. Например, метр уже давно не металлическая линейка, а расстояние, которое пролетает свет за 1/299 792 458 секунды. А секунда задаётся излучением изотопа цезия. Эта гирька была главной: «Килограмм — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма», — гласило официальное определение. И вот священный эталон превратился в музейный образец. Единица измерения массы, согласно решению Генеральной конференции по мерам и весам, проходившей в Версале, отныне определяется через физическую константу — постоянную Планка. Революция свершилась!

— По сути, новое определение звучит так: килограмм — это такая масса, при которой постоянная Планка точно равна 6,626070040 джоуля на секунду. И тогда неважно, каким будет эталон: золотым цилиндром или кремниевым шаром, — объясняет мне Виктор Снегов, ведущий научный сотрудник ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева. Этот институт расположен в Санкт-Петербурге и носит имя Менделеева не случайно. Дмитрий Иванович создал не только периодическую таблицу, но и Главную палату мер и весов, из которой потом вырос ВНИИМ.

Ранее мировым эталоном килограмма служил цилиндр из платино-иридиевого сплава. Он хранился в Международном бюро мер и весов во Франции.

А у Виктора Снегова потрясающая должность — хранитель килограмма, или, если более официально, учёный хранитель Государственного первичного эталона единицы массы. Это точная копия мирового эталона, который находится во Франции. Образец для России был создан в конце XIX века.

Как-то я был в лаборатории у Виктора Савельевича. Сам эталон мне не показали: он спрятан за толстенной дверью в специальной комнате, защищённой от перепадов температуры, влажности и колебаний. Но меня больше интересовал человек: как ему живётся с такой миссией — отвечать за главный килограмм страны.

— Нормально живётся. Периодически возим наш эталон во Францию, чтобы сверить с мировым. Да, просто берём, помещаем в специальный контейнер, садимся в самолёт и отправляемся в командировку. В каком-то смысле это вполне рутинная процедура.

Но вообще об истории мер массы можно было бы написать остросюжетный роман. Или ещё лучше — снять сериал с Сергеем Безруковым в роли килограмма и Данилой Козловским в роли метра. Пока ограничусь кратким пересказом.

Виктор Снегов, ведущий научный сотрудник ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, хранитель эталона массы

В Средневековье с единицами измерения массы творился полный бардак. Свои меры устанавливали все кому не лень: короли, князья, герцоги и даже отдельные купцы. Одних только фунтов было несколько десятков. Классический английский составлял 0,45 кг; австрийский — 0,56; русский — 0,41; датский — 0,5; испанский — 0,45; шведский — 0,43 и так далее. Представляю, как это развивало способности к математике у торговцев и какие блестящие перспективы открывались для жуликов. Но было дико неудобно, особенно когда начали развиваться промышленность и наука.

Идея ввести единую систему мер долго вызревала и наконец была сформулирована. Основная заслуга здесь принадлежит французам, они и сейчас являются законодателями мод в этом вопросе, недаром судьба килограмма решалась именно в Версале.

В конце XVIII века король Людовик XVI создал комиссию по разработке научно обоснованных единиц. Учёные предложили выводить массу из длины. Логичнее всего было взять куб с рёбрами в один метр (к тому моменту он был уже примерно определён). Но возиться с такой тяжестью было неудобно, и эталон уменьшили в тысячу раз. Так появилась единица массы под названием грав (grave).

0,41 кг

— русский фунт, считавшийся с 1747 года эталонным весом

Прожила она недолго (тут стоит пошутить на тему, что слово grave означает не только «тяжёлый», но и «могила»). В дело вмешалась политика. 5 мая 1789 года всё в том же Версале собрались Генеральные штаты. Дебаты переросли в открытое неповиновение. 14 июля в Париже началась революция. В 1792 году Людовику XVI отрубили голову. А спустя два года закончил жизнь на гильотине один из ключевых разработчиков килограмма — знаменитый химик и физик Антуан Лавуазье (казнили его, конечно, не за занятия наукой, а за участие в сборе королевских налогов). Людей республиканцы не жалели. А вот отказываться от идеи метрической системы было обидно. Уж больно хорошо она вписывалась в идеологию революции: рациональность, всеобщее равенство, естественное право.

Работы по определению единиц продолжились. Но чтобы не возникло ассоциаций со старым режимом, грав заменили на грамм, то есть на массу водяного кубика с ребром в сантиметр. Грамму тоже не повезло. Работать с такими мелкими эталонами было хлопотно. Удобнее было взять базовую гирю в тысячу граммов, то есть килограмм. Постепенно именно эта единица стала восприниматься как основная. Ситуация противоречит общей логике: все международные единицы с приставками кило-, милли-, мега- и т. д. являются не базовыми, а производными от них. Но так сложилось исторически.

Генеральные конференции по мерам и весам, международные конференции представителей стран — участниц Метрической конвенции, созываемые не реже одного раза в шесть лет и имеющие целью «обсуждение и принятие необходимых мер по распространению и усовершенствованию метрической системы».

Следующее важнейшее событие произошло тоже во Франции. 20 мая 1875 года в Париже представители 17 стран подписали документ, который можно поставить в один ряд с Всеобщей декларацией прав человека и гражданина. Называется он «Метрическая конвенция». Подписавшие договорились поддерживать единую систему измерений.

Копия эталона 1 кг, хранится в США

Помимо прочего эта конвенция провозгласила создание Международного бюро мер и весов со штаб-квартирой во Франции. Именно там по сей день хранятся все эталоны. А высшим мировым органом объявлялась Генеральная конференция по мерам и весам. Именно её решения определяют судьбу всех основных единиц измерения, с которыми мы сталкиваемся. И 16 ноября 2018 года она приговорила к казни, точнее, к забвению знаменитый эталон килограмма, который был изготовлен в 1889 году из сплава 90% платины и 10% иридия.

Эмблема Международной системы единиц SI

Почему эталон килограмма отправили в отставку? Тут несколько причин. Но главная — та, что масса была привязана к рукотворному объекту. Его могут похитить, на здание Палаты мер и весов может упасть метеорит — да мало ли что! И тогда вся мировая система измерений окажется под угрозой (здесь можно подумать если не о сериале, то хотя бы о боевике, в котором арабские террористы пытаются похитить эталон килограмма, а им противостоят обаятельный французский детектив, суровый американский спецназовец и слегка занудный учёный из России).

К тому же эталон нестабилен. Периодически его массу сверяют с национальными образцами. И выяснилось, что другие гирьки, которые должны быть абсолютно идентичны, тяжелее мирового эталона в среднем на 50 микрограмм. Да, речь идёт о миллиардных долях, которые неважны, когда взвешиваешь колбасу в магазине. Но для точных измерений это проблема.

Прежние эталоны килограмма скоро станут просто исторической реликвией

Казус в том, что невозможно сказать, изменилась или нет масса главного эталона. Ведь именно он и есть килограмм, согласно определению, действовавшему с конца XIX века по 16.11.2018. Даже если от него отпилить половину (тема для плутовской комедии с аллюзиями на «Золотого телёнка»), и тогда эта половина будет килограммом, а все остальные образцы окажутся неправильными.

39 мм

примерно диаметр и высота существующего эталона, изготовленного в 1889 году.

Это тоже было одной из причин, по которым решили отказаться от рукотворного эталона. Вместо него предложили использовать постоянную физическую величину, подсчитанную с высокой точностью. Фактически речь идёт о единицах измерения, которые будут понятны в любой точке Вселенной. При встрече с относительно разумными инопланетянами можно будет просто написать формулу, и они сразу поймут, в каких единицах земляне измеряют массу.

Изначально таким универсальным эталоном была масса определённого объёма воды. Но надо было договориться о температуре, при которой происходит замер. Потом учесть давление. Затем обеспечить абсолютную чистоту жидкости… И этого оказалось мало. Даже в самой чистой воде есть изотопы водорода и кислорода, которые могут повлиять на измерения. Поэтому долгое время учёные ориентировались именно на физический эталон.

Но наука развивалась. Учёные научились измерять физические величины с очень большой точностью. Благодаря этому метр перестал быть куском металла заданной длины. Сначала единицу расстояния привязали к волне, излучаемой изотопом криптона. А в 1983 году определение метра стало совсем чётким: длина пути, пройденного светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды. То есть скорость света зафиксирована как точная константа, и через неё уже выражают метр.

Секунда тоже привязана к процессам микромира: это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 по Кельвину.

Для килограмма в качестве константы решили взять постоянную Планка, названную в честь физика Макса Планка, который предложил её (не называя собственным именем) в начале XX века. Это штука не такая лёгкая для понимания, как скорость света. Грубо говоря, это «минимальная единица действия», некий коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Но главное — она может выражаться в джоулях на секунды. В свою очередь, джоули могут быть сведены к массе, расстоянию и времени.

На фото исторический экспонат, артефакт метра. С 1983 года метр определяется как длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.

При этом точность определения константы, предложенной ещё в самом начале XX века, долгое время оставляла желать лучшего. Сейчас она подсчитана с точностью до 2 × 10-8. Учёные считают, этого достаточно, чтобы объявить миру о новом принципе определения массы. Для полной уверенности нужно было бы с той же детальностью определить ещё одну константу — число Авогадро, описывающее количество структурных единиц (частиц, атомов, молекул и проч.) в одном моле вещества.

Если постоянную Планка уточняли с помощью ватт-весов (очень сложный прибор, позволяющий соотносить гравитационную массу и электромагнитное взаимодействие), то для подсчёта атомов в заданной единице объёма использовались рентгеновские лучи. Результаты долгое время не сходились с заданной точностью. Именно поэтому решение определить килограмм по-новому, которое приняли ещё в 2004 году, не утверждали целых 14 лет.


Видео, анонсирующее Генеральную конференцию в Версале


Но вот… Свершилось. Генеральная конференция по мерам и весам под аплодисменты приняла новую формулировку килограмма. Вместе с ним были переопределены и другие фундаментальные единицы. Ура, можно будет отказаться от зубодробительного определения ампера: «…при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого». Теперь сила тока выражается через элементарный электрический заряд — такой, как у электрона или протона. То же самое с градусом. Температура отныне не связана с точкой замерзания воды, а привязана к постоянной Больцмана, которую тоже подсчитали с точностью до миллиардных.

Революция свершилась. Физические константы свергли устаревшие эталоны. Народ ликует. Ну, может, не весь народ, а только тот, который хоть немножко разбирается в физике.

Иллюстрации

BIPM / iStock / wikipedia.org / ВНИИМ им. Д.И.Менделеева