Долой эталоны

Последний вещественный эталон потеряет статус образца единицы массы в международной системе единиц 20 мая 2019 года, теперь килограмм будет определяться через постоянную Планка. Почему это произошло и какие пределы точности нужны современной науке, рассказывает гость передачи «Вопрос науки» Алексея Семихатова, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Института физики, технологии и информационных систем Московского педагогического государственного университета Вадим Алексеевич Ильин.

Фундаментальных констант достаточно много. Вообще, физика — это точная наука. Либо она знает, что данное явление можно неким образом рассчитать, либо она знает, что наш расчет ошибочен. Эти вещи можно сделать только тогда, когда у нас есть эталон — некая величина, от которой мы все остальное рассчитываем. Долгое время в качестве эталонов использовались артефакты. То есть некие вещи, которые сделаны человеком.

Первые эталоны, от которых отказались, — это метр и секунда

Дело в том, что физика, которая насчитывает, скажем, два тысячелетия, долгое время была наукой качественной. То есть никаких количественных закономерностей в физике не было. Но дальше настал XVIII век — это век измерений. Во всех отношениях. И именно в XVIII веке начали появляться какие-то вещи, которые мы сейчас называем эталонами. Эти эталоны были сделаны для механических величин — метр, килограмм, секунда, потом стали появляться электрические величины, оптические величины. Делаются копии эталонов, которые рассылаются во все те страны, которые поддерживают метрическую систему.

Эталон килограмма во Всероссийском НИИ метрологии имени Д. И. Менделеева, Санкт-Петербург

Первые эталоны, от которых отказались, — это метр и секунда. Произошло это в связи с тем, что появилась возможность рассчитывать частоты переходов между уровнями в ряде атомов. При переходе электрона с одного уровня на другой с изменением энергии мы можем эту энергию между уровнями сопоставить с частотой. Были прежде всего изготовлены так называемые стандарты частоты. Их вообще достаточно много. Считается, что самым точным является цезиевый стандарт частоты. Метр сначала тоже определялся как длина волны, которая соответствует переходу электронов с одного уровня на другой. Потом уже было принято, что это недостаточно точно. И тогда решили, что в качестве основной единицы возьмут известную скорость света в вакууме. Берется некое время — например, секунда. Рассчитывается, сколько за эту секунду свет пройдет в вакууме, и вот это принимается в качестве эталона.

Дальше об эталоне килограмма. Прежде всего нужно было придумать, какую фундаментальную константу мы используем для того, чтобы сделать эталон килограмма. Через процедуру, через квантовые закономерности и т. д. Для определения эталона килограмма современно были использованы так называемые весы Киббла. Это научный прибор, он входит в пятерку самых сложных научных приборов современности, там же, где коллайдер. С помощью этих весов мы можем электромагнитным образом уравновесить килограмм. Если мы это делаем, то тогда мы можем из расчетов получить постоянную Планка. Но можно решать и обратную задачу. Считать, что постоянная Планка нам известна и рассчитана теоретически, и тогда с помощью этих весов определить килограмм как эталон. Весы Киббла очень сложные. Там сверхпроводящий магнит и масса всего другого. Их сейчас семь: пара в Штатах, во Франции, в Японии, в Новой Зеландии и в Канаде. У нас, кстати, нет.

Установка NIST-4 — весы Киббла в Национальном институте стандартов и технологий, США © Jennifer Lauren Lee / NIST

Конечно, сложно объяснить, зачем столь высокая точность для килограмма. Но вместе с тем даже современные фармацевты утверждают, что им часто нужно количество действующих веществ в таблетке. Уже не миллиграммы и даже не микрограммы. Еще это нужно для каких-то пока не открытых вещей, физика пытается немножко заглянуть вперед. Скажем, никогда не были бы открыты гравитационные волны, если бы эталон метра был таким же, каким он был. Если бы у нас не было методов точно измерять какие-нибудь там миллиардные, десятимиллиардные и так далее доли миллиметра. Точность по-прежнему будет задачей людей, которые занимаются эталонами. Поэтому они над этим работают.

21.01.2019 15:23:09