В роскошном здании в пригороде Парижа, в герметичном футляре с вакуумным уплотнением, под тремя стеклянными колпаками, спрятан небольшой металлический цилиндр размером с ладонь, известный всему миру, как Международный прототип Килограмма, или «Le Grand K». Созданный в 1879 году из сплава платины и иридия, цилиндр был назван «идеальным» килограммом — золотым стандартом, по которому ученные оценивают все другие килограммы.
Несмотря на то что базовые измерения с помощью осязаемых эталонов стали улучшением, использование физических стандартов, как и все в нашем мире, имеет свои недостатки. Каким бы идеальным ни был эталон, он имеет свойство меняться. Например, Le Grand K теряет вес. При его последнем взвешивании в 1988 году было обнаружено, что погрешность составляет 0,05 миллиграмма – именно столько весит песчинка. Эксперты не уверены, куда делась эта масса, но существует теория, что из-за частой обработки, цилиндр мог стать чуточку легче. Другие полагают, что сплав Le Grand K является дегазационным, что означает, что воздух постепенно выходит из металла.
Какова бы ни была причина постепенного уменьшения Le Grand K, ученые стремятся получить более надежный стандарт. Некоторые из них говорят, что это нужно было сделать уже давно, поскольку все остальные единицы измерения уже определены природными фундаментальными константами, которые могут быть воспроизведены где угодно в любое время (при условии, что у вас есть необходимое лабораторное оборудование).
Однако стандартизация килограмма оказалась сложной затеей. Австралийские ученные, например, занимаются тем, что полируют сферу из кремния массой в 1 кг, надеясь, что они смогут подсчитать количество атомов, которое она содержит, чтобы создать более точный стандарт.
Американские физики в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) решили пойти другим путем. Они пытаются переопределить килограмм с точки зрения количества напряжения, необходимого для подъема веса.
Джон Пратт и его команда заявили в пятницу, что они получили самые точные измерения в мире, необходимые для этой цели. Пратт говорит, что данное достижение, хотя и кажется незначительным, может изменить само определение килограмма, заменив концепт XIX века на концепт XXI или даже XXII века. Теперь килограмм может больше основываться на идее, а не на конкретном материальном объекте.
Ученые согласны с тем, что пришло время отправить Le grand K в отставку. Использование технологию XIX века для физики XXI века, похоже на попытку добраться до Марса на ракете с паровым двигателем. Очевидно, что подобный подход попросту не сработает.
Поэтому в 2014 году на Генеральной конференции мер и весов научное сообщество решило пересмотреть определение килограмма, основываясь на постоянной Планка — константе из квантовой механики, связывающей величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Если физики получат довольно хорошее измерение постоянной Планка, они рассчитают значение килограмма благодаря этому показателю.
Трудности заключаются в том, что константу Планка очень сложно измерить. Пратт и его коллеги из NIST потратили большую часть прошлых нескольких лет на то, чтобы получить достаточно точное число, чтобы угодить научному сообществу.
Они использовали специальный инструмент ваттовые весы, который функционирует благодаря электромагнетизму. Электрический ток направляется через спиральный провод, создавая магнитное поле, которое, в свою очередь, создает силу, движущуюся вверх, необходимую для баланса шкалы. Ученые могут выяснить силу этого поля, потянув за катушку. Если вы знаете напряжение, ток и скорость, с которой была натянута катушка, вы можете вычислить константу Планка с предельной точностью. Исследование заняло целых 16 месяцев, в результате чего команда Пратта подсчитала постоянную Планка.
Комитет мер и весов встретится в этом месяце, чтобы установить глобальную ценность константы Планка путем усреднения значений, рассчитанных в NIST и других лабораториях. И в 2018 году, на следующей Генеральной конференции мер и весов, научное сообщество создаст резолюцию о пересмотре килограмма на основе этой константы.