Перевзвесим килограмм

Со времен разработки метрической системы мер, которая была создана французскими учеными и впервые широко внедрена после Великой французской революции (первые эталоны метра и килограмма были изготовлены в 1799 году), специалисты по разработке эталонных мер гордятся точностью измерений и оценок. С тех пор СИ – наследница метрической системы – была внедрена в большей части стран мира. Во второй половине XX века СИ приняли даже консервативные британцы (правда, ограничения скорости на дорогах все равно показаны в милях), а сейчас из крупных стран лишь США следует традиционной системе мер и весов, игнорируя международный стандарт.

Одна из первых единиц СИ – килограмм – определяется как масса цилиндра диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия).

Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

Однако на конференции Королевского научного общества в Лондоне 24–25 января Ричард Дэвис, бывший глава отделения масс Международного бюро мер и весов (расположено в городе Севр близ Парижа), предложил смягчить четкость определения. В качестве временной меры перед переопределением «массы килограмма» он предложил усреднять спорные массы. Так, если результаты двух экспериментов разных типов по определению массы не совсем согласуются, их следует просто усреднить, а полученное значение объявить новым стандартом, цитирует предложение ученого Nature News.

Таким образом, считает британец, удастся точнее определить массу того, что мы предполагаем считать килограммом.

Однако у этого плана есть масса противников.

«Решение просто-напросто усреднить два несогласующихся результата было бы совершенно математически верным, но это не научный подход», – считает Майкл Харт, физик из Манчестерского университета.

Сторонники усреднения видят в нем путь к движению вперед. «В идеале нам нужно добиться идеальной сходимости измерений. Но если этого не удается, нужно использовать и математический подход», – считает Терри Куинн, бывший директор Международного бюро мер и весов. Он подчеркивает, что расхождения, о которых идет речь, слишком малы, чтобы создавать реальные проблемы для практического применения меры.

Система определения массы килограмма по платино-иридиевому эталону, хранящемуся в Севре, хороша и понятна с практической точки зрения, но она содержит явный риск. Если этот цилиндр от времени нарушит свою целостность, то стандарты массы во всем мире необходимо будет калибровать заново.

Более того, массы нескольких идентичных копий эталона отличаются от его массы, оказываясь несколько тяжелее.

Эта разница представляет собой серьезную проблему в долгосрочной перспективе, потому что нельзя оценить, становятся ли копии тяжелее или, наоборот, эталон легче.

Поэтому ученые давно планируют заменить «материальный» эталон килограмма, выразив его через неизменные постоянные величины физики, которые определены с высокой точностью и не меняются. Если это удастся, масса килограмма станет столь же неизменной, как законы Вселенной.

Ученые используют два подхода для поиска точного выражения килограмма:

в первом масса килограмма определяется с помощью электрических и магнитных полей, а во втором ее пытаются выразить через постоянную Планка – одну из базовых величин квантовой механики.

Второй метод предполагает непосредственный пересчет числа атомов в сфере из кристаллического кремния. Этот результат позволяет переопределить килограмм в терминах постоянной Авогадро, которая представляет собой число молекул в моле вещества и, фактически, связывает атомную массу элемента с массой макроскопического тела.

В последние годы измерения обоими методами проводились с точностью до 30 миллиардных долей – это предел самых точных измерений массы платино-иридиевого цилиндра. Однако результаты двух типов экспериментов расходятся на 175 миллиардных долей – это куда больше разумного с методологической точки зрения.

Это не позволяет официально переопределить меру килограмма, так как причины расхождения неясны и пока не могут быть устранены. Именно поэтому было выдвинуто предложение об элементарном усреднении двух вычислений и таком математическом переопределении килограмма.

Задача переопределения эталона массы со временем становится все более и более острой.

«Чем дольше мы будем ждать и совещаться, тем сильнее будет дрейф массы между оригинальным эталоном и его точными копиями. Тогда мы вообще не сможем договориться о том, какую массу считать эталонной. Ситуация выглядит почти сумасшедшей», – признает Куинн.