С точностью до постоянной Планка

Требования к чистоте измерений с развитием технологий повышаются. Значение имеет каждый микрограмм лекарственного вещества в фармацевтике, доля миллиметра при хирургической операции, а детекторы гравитационных волн улавливают изменения расстояния в тысячу раз меньше радиуса протона. Неудивительно, что понадобились и более точные эталоны мер и весов.

Текст: Марина Полякова /Фото: bipm.org, NIST

Череда революций

Во времена Великой французской революции в Париже была принята новая система измерений — метрическая. В отличие от разнообразных лье, аршинов, золотников и прочего, метрическая система была основана на практически неизменных объектах, явлениях природы. Комиссия из видных французских ученых дала единицам вненациональные названия, которые мог бы потом использовать весь мир.

Базовыми единицами были сантиметр, грамм и секунда. Позже первые две заменили на метр и килограмм. В 1939 году добавился ампер, несколько лет спустя — кельвин и кандела, в 1971 году — моль. Через эти семь базовых величин определяются все остальные единицы — производные.

20 мая 1875 года представители 17 стран подписали Метрическую конвенцию, которая утвердила единую систему измерений. Помимо прочего, эта конвенция провозгласила создание Международного бюро мер и весов со штаб-квартирой во Франции. Именно там по сей день хранятся все эталоны. В 1960 году системе дали название Le Système International d’Unités, SI — Международная система единиц, СИ.

Все познается в сравнении

Физические эталоны метра и килограмма были изготовлены в 1799 году из чистой платины. Почти век спустя сделали новые — из сплава платины (90 %) и иридия (10 %) — и поместили их в Международное бюро мер и весов. Эталон метра имел поперечное сечение в виде буквы X, а килограмм — форму цилиндра.

С помощью сферы из кремния 28 уточнили число Авогадро

С помощью сферы из кремния 28 уточнили число Авогадро

Периодически копии сверяли с оригиналом. Благодаря поверкам метрологи обнаружили, что эталон килограмма стал легче, чем шесть его официальных копий, примерно на 50 мкг. Объяснялась потеря веса взаимодействием эталона с подставкой и пылью. Парадокс в том, что по определению его масса равнялась килограмму — больше не с чем было сравнивать. А если бы эталон похитили или уничтожили, это обернулось бы нешуточной проблемой для СИ.

Новый килограмм

На протяжении существования международной системы определения некоторых единиц менялись. К примеру, метр привязали к скорости света в вакууме, а секунда стала задаваться излучением 133-го изотопа цезия. Килограмм единственный зависел от материального эталона. И вот 16 ноября этого года Генеральная конференция по мерам и весам зафиксировала значение константы Планка — 6,626070040 × 10–34 Дж∙c. Через нее теперь будут определяться четыре единицы: ампер, кельвин, моль и килограмм. При создании нового эталона массы будут использовать весы Киббла. Это устройство определяет, какой ток нужен для того, чтобы с помощью электромагнитного поля уравновесить чашу с тестируемым эталоном. Благодаря новому определению любая страна сможет воспроизвести эталон без сверки с образцом в Бюро мер и весов во Франции.

Справка

Метр

Вначале метр определялся как расстояние от Северного полюса до экватора по меридиану Парижа, деленное на 10 млн. В 1960 году единицу привязали к волне, излучаемой изотопом криптона. А в 1983 году определение метра уточнили: длина пути, пройденного светом в вакууме за 1,299 792458 с.

Секунда

С 1940-х секунда была привязана к длине солнечных суток. Затем в 1967 году Международное бюро мер и весов задало секунду периодом излучения при переходе в другое энергетическое состояние атома цезия‑133. А спустя 30 лет уточнило, что температура должна быть 0 К, и атом не должен быть возмущен внешними полями.

Кельвин

Первое определение опиралось на тройную точку воды — температуру, при которой вода может равновесно находиться в трех фазах: жидкой, твердой и газообразной. Такую температуру принимали за 273,16 К (0,01 °C). В 2005 году в определение внесли дополнение, уточняющее изотопный состав водорода и кислорода в воде. А новую интерпретацию привязали к постоянной Больцмана, определяющей связь между температурой и энергией.

Ампер

С конца 1940-х основывался на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током. Теперь сила тока выражается через элементарный электрический заряд — такой, как у электрона или протона.

Моль

Один моль считался равным количеству атомов в 0,012 кг углерода‑12. Теперь определяется через число Авогадро, которое определено довольно точно.

Кандела

В роли эталона для силы света сначала использовали амилацетатный фитильный светильник особой конструкции (свечу Хефнера). Позже — лампы накаливания. В 1948 году был принят другой эталон — окруженная платиной трубка из оксида тория, температура — 2046,6 К. Наконец, 40 лет назад канделу привязали не к материальному эталону, а к неизменной постоянной величине — силе света источника, который испускает излучение определенной частоты.

Килограмм

В конце XVII века килограмм определили как вес 1 л воды в стеклянном кубе с дециметровыми сторонами. Затем уточнили температуру этой воды — 4 °C.