Человечество прощается с осязаемыми эталонами мер и весов
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.
***
Экспертиза: Эталон XXI века
Сразу подчеркну: килограмм останется килограммом, никаких изменений в бытовом и промышленном весоизмерении не ожидается. Ученые-метрологи приложили также все усилия, чтобы рядовые пользователи не понесли дополнительных расходов и им не пришлось менять что-либо в процедурах калибровки своих приборов. А резон перехода на новое определение килограмма очевиден: это прежде всего точность и стабильность базовой единицы измерения. В тех сферах, где важны высокоточные измерения массы (к примеру, фармакология, медицина, высокоточное приборостроение), будет гарантирована минимальная погрешность измерений.
Как пошутил один участник 26-й Генеральной конференции по мерам и весам, если бы инопланетяне узнали, что человечество до сих пор определяет килограмм с помощью куска железа, они бы покрутили пальцем у виска. Да, это раньше мы имели единицы и шкалы, выбранные произвольно и признанные мировым сообществом в результате договоренности. Но, наконец, достигли такого уровня развития цивилизации, что научились использовать единицы и шкалы, созданные самой природой, причем обусловленные ее квантовым характером. Я бы сравнил это с открытием новой элементарной частицы. Человечеству больше не стыдно.
О направлениях дальнейшей работы (особенно для нас, в России) стоит сказать отдельно.
Российские ученые-метрологи могут не торопиться с переходом на новый килограмм — мы сделаем это в течение ближайших 5–10 лет.
Срок связан с результатами последних международных сличений национальной копии килограмма в 2014 году: теперь следующие сличения российского эталона потребуются не раньше 2025–2029 годов. К этому времени Росстандарт должен разработать эталонную аппаратуру, аналогичную той, на которой будут «взвешивать» новый килограмм метрологические институты промышленно развитых стран. Речь о так называемых весах Киббла — сложнейшем измерительном комплексе, в настоящее время таким оборудованием обладают единицы стран: США, Франция, Великобритания... Однако в России разработки в области создания подобной измерительной техники велись еще в начале 1980-х, так что создание отечественного аналога — дело ближайшего десятилетия.
Вообще по результатам последних международных сличений килограмма 2014 года Россия вошла в пятерку стран — лидеров по точности воспроизведения единицы массы. А по общему количеству измерительных возможностей мы занимаем второе место в мире (после США). Россия также считается лидером в области температурных и электрических измерений, что подтверждается результатами международных ключевых сличений с другими странами — своеобразными метрологическими олимпиадами. Одним из самых точных в мире является и российский эталон единицы времени — словом, будем «держать марку».
***
Брифинг
Алексей Абрамов, руководитель Росстандарта
На первый взгляд людям может быть и не очень-то понятно, к чему нужна такая точность. Но нам же килограмм нужен не только для того, чтобы купить упаковку сахара в магазине. А ведь помимо килограмма в системе СИ существуют и другие единицы измерения. Точность измерений — это запрос прежде всего технологического развития. Вот с ним человечество как раз и подошло к цифровой эпохе. Измерения — это то, что переводит объекты физического мира в цифровые данные. От точности измерений зависит качество цифровых двойников реальных объектов.
Источник: «РИА Новости»
***
Николай Обысов, главный метролог госкорпорации «Росатом»
Для любого человека внедрение таких современных метрологических решений — гарантия того, что то, что он потребляет, является безопасным и надежным. Например, глобальные навигационные системы: как только вы округляете значения измерений, вы уже не можете обеспечить необходимую точность позиционирования. Другой пример: человек заболел раком, нужно облучить опухоль. Для этого нужно совершенно точно позиционировать пучок и рассчитать его энергию.
Источник: «Независимая газета»
***
Ян Робинсон, научный сотрудник Национальной физической лаборатории Великобритании (НФЛ)
Одной из основных причин сделать эту работу (переопределить килограмм.— «О») является обеспечение международной безопасности. Если бы павильон де Бретейль сгорел завтра, а килограмм в его хранилище растаял от высокой температуры, у нас не было бы никакой возможности проверить подлинность измерений. Это отразится на всей метрической системе — в мире будет хаос. Но эта уязвимость останется в прошлом. Мы освободимся от физического артефакта, исчезновение которого может поставить под угрозу всю мировую торговлю.
Источник: The Guardian (hightech.fm)