Где хранится международный эталон килограмма? Масса вариантов Эталон массы в физике.

Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделеева.

Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, слишком чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, этот прототип до сих пор служит всеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. Если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.

За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем этот прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр. В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. Если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия могут быть очень трагичными. Ученые всего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.

Эталоны времени .

Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. Например, мобильная связь, мобильный телефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди все видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.

Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.

Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Затем данные всех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всего в одну наносекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.

«Хранители времени». Как бы загадочно должность этих специалистов ни звучала, атомные часы в Институте радиотехнических измерений, по которым сверяет стрелки вся страна, не выглядят фантастически. Хотя здесь оперируют нано и пико секундами, человеку почувствовать такую точность не дано.

«Когда говорят о точном времени, то в своей массе, на бытовом уровне, люди слышат, передающие сигналы проверки времени по радио «пи, пи, пи», вот это точное время. На самом деле это время с нашей колокольни мало точное, очень скромной точности. Национальная шкала времени та, которую мы здесь формируем. Погрешность за сутки составляет приблизительно несколько стомиллиардных долей секунды в сутки», Чтобы атомные часы убежали вперед или отстали на секунду, должны пройти миллионы лет. Главные потребители эталонного времени – сотовая связь и навигация.

«Современные системы радионавигации пользуются электромагнитными сигналами, которые распространяются со скоростью света». За миллиардную долю секунды свет распространяется на 30 сантиметров. Если мы хотим с помощью ГЛОНАСС определять своё местоположение с метровой точностью, это значит, что вся система должна работать с погрешностью одну – две миллиардные доли секунды. GPS, ГЛОНАСС – это система спутников, которые предназначены для точного определения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR – американская группировка спутников, ГЛОНАСС – российская.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Полвека. Бурное развитие квантовой физики привело к тому, что в середине XX века появились первые атомные часы, а Международный комитет по мерам и весам принял решение перейти на атомный стандарт. Современный эталон времени – это цезиевый репер частоты. Прибор за стеклом, заходить в комнату нельзя, т.к. у прибора «тепличные условия», они созданы специально для того, чтобы внешний мир не мешал работе. А если говорить о точности, то это десятимиллионная часть миллиардной доли секунды. Выговорить и осмыслить сложно. Казалось бы, что ещё в природе может быть точнее? Оказывается, может - нейтронные звёзды. Пульсары или нейтронные звезды - это то, во что превращаются звёзды после своей гибели. Они взрываются, быстро закручиваются. Появляется шар с железной оболочкой и огромной силой притяжения, излучающий волны со строгой периодичностью. «Электрическое поле вырывает электроны прямо с поверхности звезды, а она железная, они летят, ускоряются и в направлении своего движения они излучают разные волны». Пульсары открыли английские астрономы в 1967 году. Информация долго была секретной. Думали, что это сигнал внеземных цивилизаций. Ведь не могут природные объекты давать радиосигналы с такой частотой. Привлекали даже шифровальщиков. Однако гипотеза об искусственном происхождении вспышек не подтвердилась. «Если бы мы захотели с кем-то вступить в контакт, - говорит Михаил Попов, - можно подавать позывные, они никакой информации не несут, импульсы, которые в жизни не должны образовываться. Пока не открыли пульсары, так думали». Идею, использовать пульсары для сверки земных часов, предложили российские ученые. Точность звёздных импульсов превосходит атомный эталон на несколько порядков. Получается, что вскоре, на вопрос: «Который час?» человечеству будет отвечать Вселенная.

Определение единицы массы - килограмма - было дано III Генеральной конференцией по мерам и весам 1901 г. в следующем виде:

"Килограмм - единица массы - представлен массой международного прототипа килограмма".

При установлении метрической системы мер в качестве единицы массы была принята масса 1 кг, равная массе 1 дм 3 чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4 o С).

В этот период были проведены точные измерения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной его диаметру. Он был передан на хранение в Национальный Архив Франции.

В XIX в. было произведено повторное тщательное измерение массы 1 дм 3 воды, при этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0,28 г) меньше массы прототипа Архива.

Для того, чтобы при дальнейших, более точных взвешиваниях, не менять значения единицы массы, Международной комиссией по эталонам метрической системы в 1872 г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

В 1883 г. были изготовлены 42 прототипа килограмма из платино-иридиевого сплава (90% платины и 10% иридия) фирмой Джонсон, Маттей и К° и копии №12 и №26 получены по жребию Россией в 1889 г. согласно Метрической конвенции. Эталон хранится на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном шкафу особого сейфа, находящегося в термостатированном помещении ГП “ВНИИМ им. Д.И.Менделеева”, г. С.-Петербург.

В состав государственного первичного эталона единицы массы кроме гири входят эталонные весы номер 1 (Рупрехта) и номер 2 (ВНИИМ) на 1кг с дистанционным управлением, служащие для передачи размера единицы массы от прототипа номер 12 эталонам-копиям и от эталонов-копий рабочим эталонам (2 эталонам 1 раз в 10 лет).

Погрешность воспроизведения массы эталоном килограмма не превышает 2·10 -9 . Таким образом, эталон килограмма позволяет записывать результат измерения массы в лучшем случае числом из девяти цифр. Несмотря на все предосторожности, как показывают результаты международных сличений, за 90 лет масса эталонной гири увеличилась на 0,02 мг. Объясняется это адсорбцией молекул из окружающей среды, оседанием пыли на поверхность гири и образованием тонкой коррозионной пленки.

В связи с развитием работ по созданию новых эталонов единиц ФВ, основанных на атомных постоянных, предлагается использование в качестве эталона массы нейтрона. Другое предложение основано на воспроизведении единицы массы через счетное число атомов какого-нибудь химического элемента, например изотопа кремния-28. Для этого необходимо повысить точность определения числа Авогадро, на что сейчас направлены усилия многих лабораторий мира.

Похожая информация:

1. Lt;question>Средство измерения, предназначенное для воспроизведения или хранения единицы величины
2. V1: Характеристика измеряемых величин, единицы измерений и погрешности измерений
3. А. В килограммах. Б. В граммах. В. В атомных единицах массы (а. е. м.). Г. В МэВ
4. А. Одинаковы. Б. Масса дроби немного больше массы разновеса. В. Масса дроби немного меньше массы разновеса. Г. Этот опыт не дает оснований для ответа на заданный вопрос

Средства измерений, обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и предназначенные для обеспечения единства измерений, являются эталонами единиц физических величин .

В зависимости от подчиненности национальные эталоны подразделяются на первичные (исходные) и вторичные (подчиненные).

1. Первичные эталоны воспроизводят и (или) хранят единицы и передают их размеры с наивысшей точностью, достижимой в настоящее время в соответствующих областях измерений.
2. Специальные эталоны воспроизводят единицы в условиях, при которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима.

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны и поэтому утверждаются в качестве государственных эталонов .

Вторичные эталоны подразделяются на:

• эталоны-копии,
• эталоны сравнения,
• рабочие эталоны.

Эталоны-копии являются связующими звеньями для передачи размера единицы от первичных к рабочим эталонам. Эталоны сравнения предназначены для взаимного сличения первичных эталонов, рабочие эталоны - для поверки образцовых и рабочих средств высшей и высокой точности.

В зависимости от состава технических средств, входящих в эталон, различают:

• одиночные эталоны,
• групповые,
• эталонные наборы,
• эталонные комплексы.

Одиночный состоит из одного средства измерений (меры, измерительного прибора, измерительной установки), обеспечивающего воспроизведение и (или) хранение единицы самостоятельно, без участия других средств измерений того же типа.

Групповой эталон - это совокупность однотипных средств измерений, применяемых как одно целое для повышения точности и метрологической надежности эталона. Размер единицы, хранимой групповым эталоном, определяют как среднее арифметическое из значений, найденных с помощью отдельных средств измерений, входящих в состав группового эталона.

Эталонный набор - совокупность средств измерений (мер или измерительных приборов), каждое из которых позволяет воспроизводить и хранить значения физической величины в определенном диапазоне. Иными словами, каждое отдельное средство измерений, входящее в состав эталона, имеет свои номинальные значения или диапазоны измерений. Совокупность средств измерений эталонного набора дает возможность расширить границы диапазона кратных и (или) дольных значений воспроизводимой физической величины.

Эталонный комплекс средств измерений - совокупность неоднотипных технических средств, необходимых для воспроизведения и хранения единицы. Именно к таким эталонам принадлежит государственный первичный эталон единицы массы .

Из чего состоит эталон массы

Он состоит из комплекса следующих средств измерений:

1. национального прототипа килограмма - копии № 12 Международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава, предназначенную для передачи размера единицы массы гире R1;
2. национального прототипа килограмма - копии № 26 Международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платиноиридиевого сплава, предназначенную для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимой национальным прототипом килограмма № 12 и для замены его в период сличений 11 в МБМВ (международный банк мер и весов);
3. гири R1 и набора гирь, изготовленных из платиноиридиевого сплава, предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам-копиям;
4. двух компараторов (эталонных весов).

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1 кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с Международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10(-3) мг. Гирю R1 с номинальным значением массы 1 кг и набор гирь с номинальными значениями массы от 1*10(-6) до 5*10(-1) кг сличают с номинальным прототипом килограмма - копией № 12 - со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 8*10(-3) мг для гири R1 и 2*10(-4) - 1,6*10(-2) мг - для набора гирь.

В качестве компараторов применяют эталонные весы однорычажного равноплечего исполнения, имеющие наибольшие пределы взвешивания 1 кг (НмПВ- 2*10(-3) мг), среднее квадратическое отклонение результатов наблюдений которых от 5*10(-4) до 3*10(-2) мг. Цена деления весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Вторичными эталонами единицы массы являются эталоны-копии и рабочие эталоны. В качестве эталонов-копий применяют гири с номинальным значением массы 1 кг, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали и компаратор (весы). Среднее квадратическое отклонение результатов сличения эталонов-копий с государственным не должно превышать 1*10(-2) мг.

Эталонные весы, используемые в качестве компаратора, с наибольшим пределом взвешивания 1 кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдений, не превышающее 3*10(-2) мг. Цена деления весов, не должна превышать 4*10(-2) мг. Нестабильность эталонов-копий v за межповерочный срок не должна превышать 3*10(-2) мг. Эталоны-копии применяют для передачи размера единицы массы рабочим эталонам сличения с помощью компаратора. В качестве рабочих эталонов применяют одиночные гири, номинальной массы 1 кг и наборы гирь массой от 1 до 500 г, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, и компараторы (весы).

Среднее квадратическое отклонение результатов сличения рабочих эталонов с эталонами-копиями должно лежать в пределах от 8*10(-4) до 2*10(-2) мг.

Эталонные весы (компараторы), имеющие диапазон измерений от 2*10(-3) до 1 кг, обеспечивают значение среднего квадратического отклонения результатов наблюдений на весах от 5*10(-4) до 5*10(-2) мг. Цена деления эталонных весов составляет от 1*10(-4) до 4*10(-2) мг. Нестабильность рабочих эталонов v за межповерочный интервал составляет от 16*10(-4) до 4*10(-2) мг.

Рабочие эталоны применяют для поверки образцовых гирь Iа и I разрядов и рабочих гирь 1-го класса сличением на компараторе. Средства, входящие в состав вторичных эталонов, выполняют следующие функции:

• хранение единицы,
• контроль условий хранения,
• передача размера единицы массы образцовым и рабочим средствам измерений.

Средства, методы и точность передачи размера единицы от эталона рабочим средствам измерений регламентируются документами, утвержденными в установленном порядке, называемыми поверочными схемами. Различают государственные и локальные поверочные схемы.

Государственные поверочные схемы утверждаются в качестве государственных стандартов. Приведенные в поверочных схемах названия эталонных, образцовых и рабочих средств измерений сопровождаются числовыми значениями рабочих диапазонов воспроизведения (для мер) или измерения (для измерительных приборов) воспроизводимых или измеряемых физических величин, а также значениями пределов допускаемой погрешности всех средств измерений, входящих в поверочную схему.

Методы поверки

Важное значение для четкой регламентации и ранжирования взаимосвязи средств измерений, входящих в ту или иную поверочную схему, имеют методы, применяемые при поверке. Методы поверки, указанные в поверочной схеме, отражают специфику поверки данного вида средств измерений. Они должны соответствовать одному из следующих общих методов:

1. непосредственное (без компаратора) сличение поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида, т. е. меры с мерой или измерительного прибора с измерительным прибором;
2. прямое измерение поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой;
3. прямое измерение образцовым измерительным прибором величины, воспроизведенной мерой, подвергаемой поверке;
4. косвенные измерения величины, воспроизводимой мерой или измеряемой прибором, подвергаемым поверке;
5. независимая поверка, т. е. поверка средств измерений относительных (безразмерных) величин, не требующая передачи размера единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений, градуированным в единицах измеряемых величин.

Специфика средств измерений, входящих в приведенную на рис.1 схему, позволяет использовать и регламентировать только два из шести перечисленных методов поверки:

• сличение поверяемого средства измерений с образцовым средством измерений того же вида с помощью компаратора;
• прямое измерение поверяемым измерительным прибором величины, воспроизведенной образцовой мерой.

Для раскрытия взаимосвязей средств измерений, имеющих место при передаче размера единицы массы от эталона рабочим мерам и приборам ниже приведены основные параметры и нормированные значения погрешности образцовых и рабочих средств измерений, входящих в названную поверочную схему, а также указаны методы, применяемые при поверке каждого средства измерений.

Единицы Международной системы единиц измерений (системы СИ), которые использует человек для определения характеристик окружающего пространства, определяются в терминах фундаментальных универсальных понятий. Например, в расстоянии, пройденном светом в вакууме (в случае с метром), или в числе вибраций атома цезия (в случае со временем).

Все, кроме килограмма. Со времен Людовика XVI, ставшего инициатором введения первой международной системы весов и мер, масса одного килограмма определяется физическими предметами.

Король в попытке справиться с мошенничеством среди торговцев принял за эталон килограмма сосуд заданного объема с водой в точке замерзания (при температуре 0 °С). Артефакт хранился в подвале замка французского правителя и в течение десяти лет выступал главным ориентиром для определения веса во Франции и ее колониях.

После смерти Людовика XVI новый способ измерять вес килограмма предложили химики Луи Лефевр-Жино и Джованни Фабброни. Они подсчитали, что вода обладает наибольшей плотностью и устойчивостью при температуре 4 °С. Кроме того, ученые предложили в качестве эталона сосуд весом в один грамм.

Однако и эта система оказалась не идеальна - граммовый сосуд с водой, размер которого едва превышал горошину, оказался непрактичен для коммерческого условия. Такая система мер не обеспечивала достаточную точность измерений в условиях роста международной торговли и необходимости стандартизировать вес промышленных товаров.

Поэтому после французской революции в стране появился первый металлический эталон, который весил в тысячу раз больше предшественника - ровно килограмм.

Окончательное решение предложила Великобритания - в 1889 году в Лондоне был отлит килограммовый цилиндр из сплава платины и иридия, который на первом заседании Международного бюро мер и весов (BIMP) был принят эталоном измерения веса.

Металл под охраной

С тех пор цилиндр хранится под тремя стеклянными колпаками из крепкого стекла в павильоне де Бретейль, расположенном в одном из самых посещаемых парков Парижа - Сен-Клу.

За два века его покой нарушали три раза - смотритель обрабатывал цилиндр смесью серной кислоты и спирта, а затем кипящей и дистиллированной водой. Такое почтение к куску металла можно счесть паранойей ученых, но оно объяснимо. По весу эталона определяется масса промышленных и продовольственных товаров в 60 странах, в числе которых Европейское содружество и Россия.

В конце XIX века BIMP изготовило 40 копий эталона и разослало их в страны, подписавшие договор о принятии метрической системы измерения массы. Масса цилиндров-копий незначительно отличалась от оригинала, разница в весе была тщательно задокументирована.

Однако спустя 50 лет, в 1948 году, все образцы решили собрать вместе для взвешивания и калибровки. Тогда выяснилось, что все они весят по-разному. Некоторые копии эталона полегчали на 10 мг, другие стали тяжелее.

В 1992 году, когда копии вновь собрали вместе и сравнили с оригиналом, их вес изменился еще сильнее. У шести цилиндров, которые хранились в одном помещении с эталоном в павильоне де Бретейль, вес вырос на 40 мг. Ровно столько весит отпечаток пальца, и ученые решили, что кто-то мог прикоснуться к металлу во время чистки.

Однако после обработки кислотой и спиртом вес цилиндров не изменился - они по-прежнему весили больше, чем в момент изготовления. Вероятно, причиной этого стало выветривание и поглощение металлом молекул из воздуха.

Этот эксперимент стал потрясением для ученых - от измерения веса килограмма зависят четыре из семи единиц измерения и производные от них: например, ньютон, паскаль, ватт, джоуль, вольт, сиверт и другие.

Цифровой эталон

К тому времени шесть из семи значенией системы СИ (метр, секунда, ампер, моль, кельвин, кандела) измерялись с помощью физических констант - точных и неизменных значений, идеально подходящих для измерения окружающего пространства.

Например, физики отказались от измерения секунды как 1/86 400 доли средней длительности дня. Вместо этого это величина стала определяться как время, необходимое для 9,192,631,770 вибраций атома цезия. То же самое произошло с метром - ученые отказались от определения этой величины путем высчитывания 1/10 000 000 доли от расстояния между экватором и Северным полюсом. теперь он определяется как длина, пройденная светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

Аналогичную физическую константу ученые пытались найти и для килограмма. В 1988 году британский физик Роберт Киббл создал устройство под названием «ватт-баланс», которое позволяет измерить вес через через константу Планка. Масса при этом подходе пропорциональна произведению тока и напряжения.

После смерти изобретателя в 2016 году устройство получило название «баланс Киббла». Электромагнитные силы в нем возникают благодаря катушке, зажатой между двумя постоянными магнитами.

Прибор имеет два режима работы. В первом электрический ток проходит через катушку и создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем. В результате создается давление, которое позволяет сбалансировать массу килограмма.

Во втором режиме катушка поднимается с постоянной скоростью - восходящее движение индуцирует в ней напряжение, пропорциональное силе магнитного поля. Измеряя ток, напряжение и скорость катушки, исследователи могут вычислить константу Планка, которая пропорциональна количеству электромагнитной энергии, необходимой для определения баланса массы.

«Баланс Киббла». Фото: NIST

Переход от металлического цилиндра в качестве эталона килограмма к измерению этой величины «балансом Киббла» позволит решить множество проблем, в том числе национальной безопасности, считает бывший коллега Киббла Ян Робинсон.

«Одной из основных причин перехода является обеспечение международной безопасности. Если бы павильон де Бретейль сгорел завтра, а килограмм в его хранилище растаял от высокой температуры, у нас не было бы никакой возможности проверить подлинность измерений. Это отразится на всей метрической системе - в мире будет хаос.

Но эта уязвимость скоро останется в прошлом. Мы примем новый метод взвешивания килограмма и освободимся от физического артефакта, исчезновение которого может поставить под угрозу всю мировую торговлю», - отмечает он.

Еще одной важной мотивацией для замены эталона является необходимость в проведении все более и более точных измерений, рассказывает профессор Британской физической лаборатории (NPL) Тим Приор.

«Фармацевтические компании скоро захотят использовать ингредиенты, которые нужно будет измерять с точностью до нескольких миллионных или даже миллиардных долей грамма. Мы должны быть готовы взвешивать вещества с такой точностью», - говорит Приор.

Кажется, дни парижского короля килограмма действительно сочтены. На этой неделе делегаты Международной генеральной конференции по весу и мерам, как ожидается, проголосуют за повсеместный переход на использование «баланса Киббла» для определения веса килограмма по константе Планка и отказ от цилиндра из павильона де Бретейль.

Пока «баланс Киббла» стоит дорого, но инвестиции в его покупку - ничто по сравнению с ущербом мировой экономике в случае пропажи эталона килограмма.

Это значит, что короля килограмма скоро будет свергнут и он займет свое место в музее рядом с эталонами времен Людовика XVI и Французской революции. Трудно представить, что в эпоху космических кораблей и искусственного интеллекта человечество все еще использует изготовленный в XIX веке металлический брусок как отправную точку для измерения массы всех предметов на Земле.

Наверное, многие читатели помнят телевизионную рекламу одного сотового оператора, в которой появился знаменитый слоган "Скока вешать в граммах?" "Точность никогда не бывает лишней", - резюмировал свой вопрос один из героев ролика . На самом деле, он лукавил - точно отвесить, скажем, 200 граммов чего-либо невозможно. И дело не только в том, что существующие способы взвешивания плохи - просто у людей нет надежного эталона килограмма, а значит, и грамма.

Потребность в разработке стандартов, ориентируясь на которые можно определять значения массы, времени, длины и температуры (а после появления физики еще силы света, силы тока и единицы вещества) возникла у человечества давно. Потребность эта вполне объяснима - для того чтобы строить дороги и дома, путешествовать и торговать, необходимы были неизменные единицы, используя которые два строителя или торговца могли бы понимать, что нарисовано в чертежах друг друга и о каких количествах товара идет речь.

Свои собственные единицы измерения были у каждой цивилизации: например, в Древнем Египте массу измеряли в кантарах и киккарах, в Древней Греции - в талантах и драхмах, а на Руси - в пудах и золотниках. Как любят говорить ученые, при создании каждой из этих единиц люди как бы договаривались , что отныне масса, длина или температура чего-либо будут сравниваться с одной единицей массы, длины или температуры соответственно. Число тех, кто непосредственно участвовал в этих договоренностях, было очень невелико - у двух торговцев из разных концов страны пуды вполне могли отличаться на треть.

Как бы договоренности прекрасно работали до тех пор, пока люди не начали всерьез заниматься наукой и осваивать инженерное дело. Оказалось, что для описания законов природы или создания парового котла приближенных значений недостаточно, особенно если в работе принимают участие люди из разных стран. Осознав этот факт, ученые со всего мира занялись разработкой единых точных стандартов, или эталонов, для основных единиц измерения. 20 мая 1875 года во Франции было подписано соглашение об установлении этих единиц - Метрическая конвенция. Все страны, подписавшие этот документ, обязались использовать в качестве эталонов специально созданные стандарты. Для обеспечения государств-подписантов самыми точными эталонами была создана Международная палата мер и весов (или Международное бюро мер и весов). В задачи этой организации входит регулярное сравнение национальных эталонов между собой и курирование работ по созданию более точных способов измерения.

В России введение метрической системы связано с именем Дмитрия Ивановича Менделеева, создавшего в 1893 году Главную палату мер и весов и вообще немало сделавшего для развития метрологии. Свой интерес к точным измерениям он объяснял так: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры". Благодаря усилиям Менделеева, с первого января 1900 года в России наряду с национальными были разрешены к применению метрические меры.

После подписания Метрической конвенции специалисты занялись разработкой единых эталонов метра и килограмма (эти единицы измерения существовали и до 1875 года, однако эталонов, которые бы признавались во всем мире, не существовало). Эталон метра был установлен после знаменитой экспедиции по измерению длины дуги Парижского меридиана и представлял собой линейку из сплава платины и иридия в соотношении 9 к 1, длина которой равнялась одной сорокамиллионной части меридиана. По месту хранения его стали называть "метр архива" или "архивный метр". Эталон килограмма был отлит из того же сплава, и его масса соответствовала массе одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 градуса Цельсия (когда вода имеет максимальную плотность) и стандартном атмосферном давлении на уровне моря. В 1889 году в ходе первой Генеральной конференции по мерам и весам была принята система мер, основанная на только что изготовленных эталонах метра и килограмма, а также на эталоне секунды. Стандартом секунды стала считаться 1/86400 часть продолжительности средних солнечных суток (позже эталон привязали к тропическому году - секунду приравняли к 1/31556925,9747 его части). Страны, признавшие новую систему мер, получили копии этих эталонов, а прототипы отправились на хранение в Палату мер и весов.

Через некоторое время к этим трем эталонам добавились эталоны канделы (сила света), ампера (сила тока) и кельвина (температура). В 1960 году одиннадцатая Генеральная конференция по мерам и весам приняла систему мер и весов, основанную на использовании этих шести единиц и моля (единица количества вещества - его эталона не существует) - новая система получила название Международная система единиц, или СИ. Казалось бы, на этом история эталонов должна была завершиться, однако, в действительности, она только начиналась.

Все, что может испортиться…

По мере совершенствования технологий измерения стало ясно, что все хранящиеся в Париже эталоны не идеальны. Постепенно ученые приходили к мысли, что за стандарты основных единиц стоит брать не рукотворные предметы, а гораздо более совершенные образцы, уже созданные природой. Так, за стандарт секунды приняли интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 кельвинов при отсутствии возмущения внешними полями, а за стандарт метра - расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды. В отличие от старых, новые стандарты являются атомными или квантовыми, то есть в них "работают" самые "базовые" законы природы.

Постепенно шесть из семи основных единиц СИ получили способы воспроизведения, для которых не нужен уникальный эталон, хранящийся где-то в одном месте. Теоретически, любой ученый, который захочет точно (очень точно) узнать, например, сколько длится секунда, может взять миллиграмм-другой изотопа цезия-133 и отсчитать, когда произойдут 9192631770 периодов излучения (кстати, свои атомные стандарты времени установлены, например, на всех спутниках GPS). "В девушках" остался только килограмм - его эталон все еще пылится в глубоком подвале под Парижем.

Слово "пылится" в предыдущем абзаце вовсе не является стилистическим украшением - пыль на самом деле постепенно скапливается на эталоне килограмма, несмотря на все контрмеры. Достать платино-иридиевый цилиндр и протереть нельзя - во-первых, при извлечении на нем опять же осядет пыль, а во-вторых, протирка или даже обмахивание щеточкой неминуемо приведет к "отскакиванию" нескольких молекул. Иными словами, независимо от того, что делают или не делают с эталоном, его масса со временем изменяется. Долгое время считалось, что эти изменения незначительны, однако проведенная несколько лет назад проверка показала, что за последнее время эталон "похудел" на 50 микрограммов, а это уже внушительные потери.

Моль, кремний и золото

Возможный выход из этого печального положения (за какой-нибудь миллиард лет эталон станет легче на треть) предложили в 2007 году два американских ученых из Технологического института Джорджии. Вместо переменчивого цилиндра они предложили считать стандартом массы куб из углерода, который будет содержать строго определенное количество атомов. Так как масса каждого отдельного атома постоянна, то и масса их совокупности также не будет меняться. Исследователи рассчитали, что куб массой ровно один килограмм будет состоять из 2250 х 28148963 3 атомов (50184513538686668007780750 атомов), а его грань составит 8,11 сантиметра. За три года ученые уточнили некоторые детали и представили свои соображения в статье, препринт которой можно найти на сайте arXiv.org.

Американские физики озаботились проблемой стандарта килограмма и выбрали в качестве "эталонного" элемента углерод неспроста - до этого они занимались уточнением числа Авогадро - одной из фундаментальных констант, определяющей, сколько атомов содержится в одном моле любого вещества. Хотя это число и является одним из самых главных в химии, его точного значения не существует (в числе прочих вопросов ученые, например, решали, четное оно или нет). Число Авогадро подобрано так, чтобы масса моля в граммах равнялась массе молекулы (атома) в атомных единицах массы. Атом углерода имеет массу 12 атомных единиц массы, а значит, масса моля углерода должна составлять12 граммов. Уточнив число Авогадро и приняв его равным 84446886 3 (602214098282748740154456), исследователи смогли рассчитать необходимое число атомов углерода в эталоне.

Не исключено, что новая работа будет рассмотрена на очередной Генеральной конференции по мерам и весам, которая пройдет в 2011 году. Однако у ученых из Джорджии есть конкуренты. Например, в Вашингтонском национальном институте стандартов и технологии очень активно работают над концепцией электронного килограмма. Вкратце суть предлагаемого ими метода такова: эталон определяется через силу тока, которая необходима для создания магнитного поля, способного уравновесить груз в один килограмм. Этот способ очень хорош, так как позволяет добиться высокой точности (он основан на использовании еще одной фундаментальной константы - постоянной Планка), однако сам эксперимент чрезвычайно сложен.

Еще один вариант нового эталона – кремниевая сфера, параметры которой рассчитаны таким образом, что она будет содержать строго определенное количество атомов (этот расчет можно провести, так как ученым известно расстояние между отдельными атомами, а сам процесс производства чистого кремния очень хорошо налажен). Такая сфера даже была создана, но с ней немедленно возникли сложности, напоминающие сложности нынешнего эталона - со временем сфера теряет часть своих атомов и, кроме того, на ней образуется пленка оксида кремния.

Третий подход к созданию эталона предполагает, что он будет каждый раз производиться de novo . Для получения стандарта массы необходимо накапливать ионы висмута и золота до тех пор, пока их суммарный заряд не достигнет определенного значения. Этот метод уже признали неудовлетворительным: он требует слишком много времени, а результаты плохо воспроизводятся. Вообще, с высокой вероятностью, все описанные способы получения нового эталона килограмма, кроме способа, основанного на использовании числа Авогадро, останутся только в памяти историков науки, так как в отличие от остальных, эталон килограмм в виде куба из изотопа углерода-12 основан на прямом использовании одного из фундаментальных атомных понятий.

Пока неясно, станет ли углеродный эталон общепризнанным или же ученые придумают новый, более удобный способ. Но тот факт, что хранящийся в Париже цилиндр, верой и правдой служивший людям 120 лет, скоро отправится на пенсию, сомнений не вызывает.