Физики отказались от метрических эталонов, действовавших 130 лет

20 мая начнет действовать новая редакция определений основных единиц системы измерения (СИ). С сегодняшнего дня семь основных единиц: метр, ампер, кельвин, кандела, секунда, моль и килограмм - привязаны к фундаментальным физическим константам - постоянной Планка, элементарному электрическому заряду, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро.

Килограмм, вероятно, наиболее яркий пример того, насколько необходим переход от старой системы к новой.

С 1889 года эталоном килограмма является цилиндр высотой 39 миллиметров и диаметром 39 миллиметров, изготовленный из 90% платины и 10% иридия. Этот килограмм хранится недалеко от Парижа и является стандартом. Также существуют официальные точные копии образца, которые хранятся во многих странах.

По мнению ученых, эталон, сделанный из платиново-иридиевого сплава, безвозвратно потерял часть своих атомов, а вместе с ними и точность. За 100 лет сравнения прототипа с его копиями появилось постепенно увеличивающееся расхождение на 50 микрограммов, что примерно равно массе крыла мухи. По общему признанию, не так и много, но тем не менее расхождение очевидно. Поэтому в 2018 году на конференции Международного бюро мер и весов было принято решение о переопределении эталона килограмма.

Чтобы обойтись без определения исходного килограмма, эксперты Международного бюро мер и весов в ноябре 2018 года решили использовать постоянную Планка, величину электромагнитного эффекта. Но какое числовое значение имеет постоянная Планка? Чтобы прояснить это, были проведены два разных эксперимента. Суть одного из них состояла в том, чтобы уравновесить вес массы электромагнитной силой таким образом, чтобы взвешивающий объект плавал. Электромагнитный эффект, в свою очередь, приводит к постоянной Планка. Соответствующие измерения были сделаны в Национальном институте стандартов и технологий в США.

В другом эксперименте использовались сферы из кремния изотопа 28Si. Из монокристалла чистого кремния, изготовленного в Берлинском институте выращивания кристаллов, были отшлифованы идеально круглые сферы диаметром 93,7 миллиметра. Кремний удобен тем, что темп потери атомов для него хорошо определяется. Поэтому ученые предприняли попытку создания кремниевого эталона и в итоге получили кристалл с чистотой 99,994%. По массе сфер и количеству атомов можно определить массу одного атома 28Si. Однако в мире атомов классическая физика больше не действует - здесь работает квантовая механика. С помощью соответствующих уравнений постоянная Планка может быть определена из массы атомов и других известных естественных постоянных.

Таким образом, оба эксперимента дали почти одинаковые результаты, и ученые выбрали путь для переопределения килограмма на основе постоянной Планка.

"Для граждан ничего не меняется, для них 20 мая будет таким же, как и днем ранее, - говорит Дженс Саймон, ученый из Брауншвейгского физико-технического института (Германия). - А для науки и высоких технологий этот шаг является большой победой. Для метрологов открывается дверь в рай".

Один из "райских" примеров от Саймона - оптические атомные часы, которые могут определять время примерно в 100 раз точнее, чем обычные атомные часы. Высокоточные оптические атомные часы, используемые на спутниках, могут значительно повысить точность навигации, сообщает Tagesspiegel.