Невесомый килограмм

Научная сенсация: килограмм больше не привязан к рукотворному объекту! Во французском Версале представители 60 стран проголосовали за новые определения килограмма, ампера, кельвина и моля. Чем это обернется для человечества, выяснял «Огонек»

В прессе произошедшее уже окрестили «весомыми переменами»: на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам утвердили самую масштабную реформу Международной системы единиц (SI) за последние десятилетия. Судите сами: были даны новые определения амперу, кельвину и молю. Но, пожалуй, наиболее обсуждаемый объект реформы — это килограмм. Он оставался единственной единицей, зависящей от рукотворного объекта,— цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в Севре (Франция). И вот — настоящая революция. Теперь килограмм будут определять через постоянную Планка, одну из фундаментальных физических констант. Зачем это было нужно?

Сначала немного истории: за единицу массы еще в далеком 1875 году была принята масса Международного прототипа килограмма, то есть того самого севрского цилиндра, выполненного из сплава платины и иридия. Еще несколько лет спустя, в 1889 году, мастера британской фирмы Johnson, Matthey & Co изготовили 42 копии килограмма: все копии были из одной плавки, а их максимальная «подгонка» относительно друг друга стала возможной благодаря особому методу шлифовки. В результате 40 копий распределили между странами, подписавшими так называемую Метрическую конвенцию: Россия, к примеру, получила копии № 12 и № 26, они пережили и революции, и Гражданскую, и мировые войны и хранятся сейчас в лаборатории массы и силы Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Менделеева (ВНИИМ). Хранение этих копий, считающихся государственным достоянием,— отдельный и увлекательный сюжет: для этого требуется изолированный фундамент массой 750 тонн и так называемая термостабилизация окружающего воздуха от 18 до 22 градусов Цельсия. Более того, рядом с институтом (он в Санкт-Петербурге) проходит метро, так что все метрологические сличения производятся исключительно в ночное время… Не менее строги меры безопасности и за рубежом. Допустим, Международный прототип килограмма (Le Grand K) хранится в сейфе, открыть который могут только три хранителя с тремя отдельными ключами — за 139 лет это происходило считанное число раз. Но даже эта отлаженная система неидеальна: несмотря на многочисленные предосторожности, копии Le Grand K все равно… свою массу меняют!

Во ВНИИМ «Огоньку» пояснили: систематическое изменение массы национальных копий килограмма по отношению к международному прототипу составило от 20 до 50 микрограммов (мкг).

Например, российская копия (наш государственный эталон килограмма) «тяжелее» прототипа на 30 мкг. Но самое интригующее: ученые не могут сказать, как изменился сам прототип, ведь его не с чем сравнить! Как не могут определенно установить и причину этих изменений массы: в «подозреваемых» — оседание мельчайших частиц пыли, испарения и даже механическое снятие покрытия во время сличений, когда его берут в руки… Подумаешь: микрограммы! Но ученые предупреждают: проблема серьезна.

— Подобные накапливающиеся изменения массы как самого прототипа килограмма, так и его национальных копий, которые являются эталонами, могут привести к техническому системному кризису, поскольку на килограмм завязаны многие базовые физические величины, например электрические,— говорят во ВНИИМ.

Впрочем, есть еще одна причина тревоги: рукотворный прототип слишком уязвим. А вдруг с ним что-то случится? Вот почему еще в 1970-х научное сообщество решило не рисковать и перешло к экспериментам по определению массы через… атомные или фундаментальные физические константы. Им-то уж точно не мог угрожать никакой пожар! А в 1999-м было окончательно решено: килограмм нужно переопределить через так называемую постоянную Планка (связывает величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой). Что, впрочем, оказалось непростой задачей: сложность в измерении постоянной Планка именно в ее точности (это 10 в минус 34-й степени Джоуля), а также в том, что для измерения необходимы особые устройства — киббл-весы (они позволяют сравнивать вес объекта с электромагнитными силами и выражать массу через электрические единицы, измеренные на основе макроскопических квантовых эффектов).

Вообще ревизия системы единиц оказалась примером едва ли не крупнейшего международного сотрудничества в области науки в истории, над ней работала целая коллаборация ученых из самых разных стран. Без россиян тоже не обошлось: ну, например, в рамках одного из проектов наша страна предоставила для экспериментов большие количества сверхчистого кремния, содержащего только один изотоп с атомным весом 28. Из этого кремния изготавливались особые сферы — ключевой элемент проекта.

Одним словом, ученые дружно навалились на непростую задачу, и вот — успешное завершение многолетних усилий на конференции в Версале. Голосование, состоявшееся там, было чистой формальностью: все уже понимали — реформа состоится!

— Это нечто грандиозное для эпохи, когда кажется, что люди мало о чем могут договориться,— заявил в интервью The Washington Post Йон Пратт, глава отдела квантовых измерений Лаборатории физических измерений Национального института стандартов и технологий, NIST (США).

Вообще для самих ученых нынешние нововведения — своего рода торжество научной демократии, ведь теперь для точности измерений больше не требуется сличения с артефактом, запертым в сейфе во Франции. Стефан Шламмингер, коллега Пратта по институту, даже вытатуировал на руке слоган: «Для всех людей, на все времена». Точнее про случившееся не скажешь.

Чем важна эта реформа для обывателей? Ответ есть: речь, по сути, о «невидимой инфраструктуре», пронизывающей весь современный мир. Как объясняют специалисты, чем сложнее становится цивилизация, тем точнее измерения требуются: например, точность и надежность данных, полученных от приборов на космических аппаратах, связана с возможностью их калибровки на борту. А Тим Прайор из Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (Великобритания) напоминает о фармацевтике, где различные лекарственные ингредиенты скоро понадобится измерять в микрограммах или даже в нанограммах.

Эксперты приводят в пример и переопределение секунды, случившееся в 1967 году,— оно заложило основу для современных коммуникаций, от GPS до интернета. Но самое интересное, что и это еще не все: говорят, через четыре года, на 27-й Генеральной конференции, определение секунды вновь могут изменить. Время пошло.