Цивилизация
Килограмм, ампер, кельвин и моль получили новые, более точные физические определения, выраженные не через объекты реального мира, а через абстрактные математические константы. Это произошло в Версале на 26-й Генеральной конференции мер и весов (ГКМВ) 16 ноября.
«Для нас это особенно знаменательный день — все метрологическое сообщество двигалось к этой цели на протяжении последних 30 лет.
Теперь мы наконец-то можем заняться другими проблемами и начать новые измерения. Наша следующая цель — дать новое определение секунде, используя атомные часы», — заявил Ян-Теодор Янссен, глава Национального метрологического института Британии.
Определение килограмма, принятое на третьей Генеральной конференции мер и весов, звучало так: «Килограмм — единица массы, равная массе международного прототипа килограмма».
До этого было введено понятие грамма, который был определен в 1795 году как вес одного кубического сантиметра чистой воды при температуре таяния льда, из чего следовало, что килограмм эквивалентен массе одного кубического дециметра (литра) воды.
Действовавший до сегодняшнего дня международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией мер и весов в 1889 году на основе Метрической конвенции 1875 года под надзор Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое хранит его от лица ГКМВ. После того как было обнаружено, что международный эталон килограмма с течением времени дает отличия в массе, Международный комитет мер и весов (МКМВ) в 2005 году рекомендовал переопределить килограмм с помощью фундаментальных физических свойств.
В 2011 году 24-я ГКМВ пришла к соглашению, что килограмм должен быть переопределен на основе постоянной Планка, но отложила окончательное решение до следующей конференции. 25-я ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение килограмма, и предварительно наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую СИ обновленным вариантом на 26-1 ГКМВ.
Международный прототип (эталон) килограмма хранился в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа) и представлял собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия).
Нынешнее решение завершает реформу, длившуюся несколько десятков лет: еще в 1983 году метр был привязан к значению скорости света в вакууме. В 2005 году исследователи определились в выборе еще трех констант для переопределения других единиц. Постоянная Планка была выбрана как основа для определения единицы массы, килограмма, элементарный электрический заряд (заряд электрона) — единицы силы тока, а постоянная Больцмана — термодинамической температуры.
Для этого пришлось провести три независимых оценки значения постоянной Планка двумя разными методами. Один из этих экспериментов, проходивший в рамках проекта Авогадро при непосредственном участии российских исследователей, завершился в 2010 году, два других — три и два года назад.
Однако результаты всех трех замеров немного, но отличались.
Это вызвало споры насчет того, как следует согласовать эти результаты. В конце концов физики, не сумев договориться, заново провели эксперименты, ликвидировали все источники погрешностей, смогли сблизить значения постоянной Планка и добиться требуемой точности — вероятность ошибки составляет всего 12 частей на миллиард.
В середине 2017 года согласование результатов экспериментов завершилось, и вопрос о переопределении понятия «килограмм» вынесли на голосование на встрече научных экспертов, которая состоялась в Версале.
Все 60 участников конференции проголосовали за новое математическое представление о единице массы, а также о трех других эталонах.
Как отметил Янссен, официально платиново-иридиевый цилиндр из Палаты мер и весов «уйдет на пенсию» не сейчас, а 20 мая 2019 года, во Всемирный день метрологии. Аналогичная судьба постигнет и ампер, кельвин и моль. Все они получили новые математические определения, связанные с зарядом электрона, постоянной Больцмана и числом Авогадро.
При этом в практическом смысле мало что изменится, и эталоны для калибровки весов останутся. Разве что метрологи начнут разрабатывать максимально точно проверенные весы Киббла — устройства, при помощи которых определяется постоянная Планка. Поскольку эта константа измеряется в м2*кг/с, то каждое измерение постоянной Планка, по сути, определяет и величину килограмма.