Канистра, кусок льда, цилиндр
Единицы Международной системы единиц измерений (системы СИ), которые использует человек для определения характеристик окружающего пространства, определяются в терминах фундаментальных универсальных понятий. Например, в расстоянии, пройденном светом в вакууме (в случае с метром), или в числе вибраций атома цезия (в случае со временем).
Все, кроме килограмма. Со времен Людовика XVI, ставшего инициатором введения первой международной системы весов и мер, масса одного килограмма определяется физическими предметами.
Король в попытке справиться с мошенничеством среди торговцев принял за эталон килограмма сосуд заданного объема с водой в точке замерзания (при температуре 0 °С). Артефакт хранился в подвале замка французского правителя и в течение десяти лет выступал главным ориентиром для определения веса во Франции и ее колониях.
После смерти Людовика XVI новый способ измерять вес килограмма предложили химики Луи Лефевр-Жино и Джованни Фабброни. Они подсчитали, что вода обладает наибольшей плотностью и устойчивостью при температуре 4 °С. Кроме того, ученые предложили в качестве эталона сосуд весом в один грамм.
Однако и эта система оказалась не идеальна — граммовый сосуд с водой, размер которого едва превышал горошину, оказался непрактичен для коммерческого условия. Такая система мер не обеспечивала достаточную точность измерений в условиях роста международной торговли и необходимости стандартизировать вес промышленных товаров.
Поэтому после французской революции в стране появился первый металлический эталон, который весил в тысячу раз больше предшественника — ровно килограмм.
Окончательное решение предложила Великобритания — в 1889 году в Лондоне был отлит килограммовый цилиндр из сплава платины и иридия, который на первом заседании Международного бюро мер и весов (BIMP) был принят эталоном измерения веса.
Металл под охраной
С тех пор цилиндр хранится под тремя стеклянными колпаками из крепкого стекла в павильоне де Бретейль, расположенном в одном из самых посещаемых парков Парижа — Сен-Клу.
За два века его покой нарушали три раза — смотритель обрабатывал цилиндр смесью серной кислоты и спирта, а затем кипящей и дистиллированной водой. Такое почтение к куску металла можно счесть паранойей ученых, но оно объяснимо. По весу эталона определяется масса промышленных и продовольственных товаров в 60 странах, в числе которых Европейское содружество и Россия.
В конце XIX века BIMP изготовило 40 копий эталона и разослало их в страны, подписавшие договор о принятии метрической системы измерения массы. Масса цилиндров-копий незначительно отличалась от оригинала, разница в весе была тщательно задокументирована.
Однако спустя 50 лет, в 1948 году, все образцы решили собрать вместе для взвешивания и калибровки. Тогда выяснилось, что все они весят по-разному. Некоторые копии эталона полегчали на 10 мг, другие стали тяжелее.
В 1992 году, когда копии вновь собрали вместе и сравнили с оригиналом, их вес изменился еще сильнее. У шести цилиндров, которые хранились в одном помещении с эталоном в павильоне де Бретейль, вес вырос на 40 мг. Ровно столько весит отпечаток пальца, и ученые решили, что кто-то мог прикоснуться к металлу во время чистки.
Однако после обработки кислотой и спиртом вес цилиндров не изменился — они по-прежнему весили больше, чем в момент изготовления. Вероятно, причиной этого стало выветривание и поглощение металлом молекул из воздуха.
Этот эксперимент стал потрясением для ученых — от измерения веса килограмма зависят четыре из семи единиц измерения и производные от них: например, ньютон, паскаль, ватт, джоуль, вольт, сиверт и другие.
Цифровой эталон
К тому времени шесть из семи значенией системы СИ (метр, секунда, ампер, моль, кельвин, кандела) измерялись с помощью физических констант — точных и неизменных значений, идеально подходящих для измерения окружающего пространства.
Например, физики отказались от измерения секунды как 1/86 400 доли средней длительности дня. Вместо этого это величина стала определяться как время, необходимое для 9,192,631,770 вибраций атома цезия. То же самое произошло с метром — ученые отказались от определения этой величины путем высчитывания 1/10 000 000 доли от расстояния между экватором и Северным полюсом. теперь он определяется как длина, пройденная светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды.
Аналогичную физическую константу ученые пытались найти и для килограмма. В 1988 году британский физик Роберт Киббл создал устройство под названием «ватт-баланс», которое позволяет измерить вес через через константу Планка. Масса при этом подходе пропорциональна произведению тока и напряжения.
После смерти изобретателя в 2016 году устройство получило название «баланс Киббла». Электромагнитные силы в нем возникают благодаря катушке, зажатой между двумя постоянными магнитами.
Прибор имеет два режима работы. В первом электрический ток проходит через катушку и создает магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитным полем. В результате создается давление, которое позволяет сбалансировать массу килограмма.
Во втором режиме катушка поднимается с постоянной скоростью — восходящее движение индуцирует в ней напряжение, пропорциональное силе магнитного поля. Измеряя ток, напряжение и скорость катушки, исследователи могут вычислить константу Планка, которая пропорциональна количеству электромагнитной энергии, необходимой для определения баланса массы.
Переход от металлического цилиндра в качестве эталона килограмма к измерению этой величины «балансом Киббла» позволит решить множество проблем, в том числе национальной безопасности, считает бывший коллега Киббла Ян Робинсон.
«Одной из основных причин перехода 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 скоро останется в прошлом. Мы примем новый метод взвешивания килограмма и освободимся от физического артефакта, исчезновение которого может поставить под угрозу всю мировую торговлю», — отмечает он.
Еще одной важной мотивацией для замены эталона является необходимость в проведении все более и более точных измерений, рассказывает профессор Британской физической лаборатории (NPL) Тим Приор.
«Фармацевтические компании скоро захотят использовать ингредиенты, которые нужно будет измерять с точностью до нескольких миллионных или даже миллиардных долей грамма. Мы должны быть готовы взвешивать вещества с такой точностью», — говорит Приор.
Кажется, дни парижского короля килограмма действительно сочтены. На этой неделе делегаты Международной генеральной конференции по весу и мерам, как ожидается, проголосуют за повсеместный переход на использование «баланса Киббла» для определения веса килограмма по константе Планка и отказ от цилиндра из павильона де Бретейль.
Пока «баланс Киббла» стоит дорого, но инвестиции в его покупку — ничто по сравнению с ущербом мировой экономике в случае пропажи эталона килограмма.
Это значит, что короля килограмма скоро будет свергнут и он займет свое место в музее рядом с эталонами времен Людовика XVI и Французской революции. Трудно представить, что в эпоху космических кораблей и искусственного интеллекта человечество все еще использует изготовленный в XIX веке металлический брусок как отправную точку для измерения массы всех предметов на Земле.