Килограмм уже не тот
Мировое сообщество заново определяет главные единицы измерения
«Мне, пожалуйста, полкило колбасы и граммов двести карбонада…», — чтобы до конца осознать всю глубину этой фразы, нужно освоить принципы квантовой механики. Ведь теперь килограмм как единица массы будет определяться не через знаменитый платиновый эталон, хранящийся в Париже, а через физическую константу — постоянную Планка. Такое предложение вынесено на заседание Генеральной конференции по мерам и весам (это высший международный орган, отвечающий за единицы измерения). Килограмм перестанет быть последней единицей, привязанной к рукотворному носителю. Вместе с килограммом к абсолютным физическим константам привяжут градус, ампер и моль. Ученые называют эти перемены самыми значимыми за все время существования международной системы единиц
Человечество научилось измерять длину, массу, время и прочие важные параметры еще во времена Древнего Египта. Но на протяжении многих столетий с единицами измерения творился полный бардак. Особенно тяжко приходилось в Средневековье, когда на месте четкой Римской империи появилось множество независимых или полунезависимых государств.
Только одних фунтов было несколько десятков (английский, русский, австрийский, шведский, датский и так далее). И каждый из них соответствовал разным массам — от 410 до 560 граммов. Собственные единицы массы могло вводить не только государство, но даже какое-нибудь княжество или торговый городок. То же самое касалось и мер длины. Очень неудобно!
Конечно, когда дело касается продажи пшеницы или сосновых бревен, еще можно как-то договориться или просто пренебречь погрешностью измерений (все равно каждый торговец норовит немножко смухлевать). Но что делать, когда речь идет, например, о деталях для сложного станка, когда ошибка в миллиметр может привести машину в негодность?
Или, предположим, ваша страна ведет войну. На артиллерийской батарее кончаются боеприпасы, и союзники готовы оперативно доставить туда свои ядра. Но совпадут ли они по калибру с вашими пушками? Во время вражеской атаки придется понять, в каких единицах измеряется диаметр. Это классические английские дюймы — 2,53 см? Или старые прусские дюймы — 2,61 см? А может, новые прусские — 3,76 см? Или баварские — 2,91 см? Или венские — 2,63 см? Или курляндские — 3,36 см? Представьте себя на месте канониров, которым в разгар боя надо разобраться с единицами измерений, затем произвести перерасчет и только после этого заряжать пушку. Проще сдаться противнику, чем проделать все эти операции.
Призывы к созданию универсальных единиц измерения стали звучать с конца XVII века. Например, в 1675 году изобретатель и философ Тито Ливио Бураттини опубликовал книгу Misura universale («Универсальное измерение»), в которой предлагал свою систему физических единиц, в числе которых был и «католический метр» — кстати, довольно близкий к современному.
Нынешняя десятичная метрическая система появилась во многом благодаря Людовику XVI. Из интеллектуалов того времени он создал комиссию по выработке научно обоснованных единиц. К этому времени метр еще не был утвержден официально, но было примерно понятно, о чем идет речь. Из метра предлагалось вывести массу. По идее, главной единицей должна была стать нынешняя тонна — столько весит вода, налитая в куб со сторонами в метр. Но возиться с такими тяжелыми штуками в лаборатории было неудобно, и ученые предложили единицу под названием грав (grave). Это слово происходит от того же латинского корня, что и «гравитация». По-французски это значит «тяжесть», в английском добавляется еще одно значение — «могила». Один грав был эквивалентен массе воды в дециметровом кубе, то есть современному килограмму.
Но тут во Франции случилась революция. Людовику XVI отрубили голову. Закончил свою жизнь на гильотине и один из ключевых членов комиссии — знаменитый химик и физик Антуан Лавуазье. Республиканское правительство от идеи метрической системы не отказалось, благо она хорошо вписывалась в новую идеологию. Однако за единицу массы был взят водяной кубик с ребром в сантиметр. Так получился грамм. Официальное определение было принято 7 апреля 1795 года: «Грамм — это абсолютный вес объема чистой воды, равного кубу в сотую часть метра при температуре тающего льда».
Здесь опять сыграл роль фактор удобства. Работать с эталонами в один грамм очень хлопотно, особенно учитывая точность приборов того времени. Поэтому использовали базовую гирю в тысячу граммов, то есть — килограмм. Постепенно именно она стала восприниматься как основная. Килограмм стал главным средством измерения массы, а грамм — лишь его тысячной долей, хотя должно было быть наоборот, ведь все международные единицы с приставками кило-, милли-, мега- и так далее являются не базовыми, а производными от них. Ситуация противоречит общей логике, но так исторически сложилось.
Право килограмма считать себя главным было зафиксировано в Метрической конвенции, подписанной 20 мая 1875 года в Париже. Этот документ можно поставить в один ряд с Декларацией независимости США или Всеобщей декларацией прав человека. Семнадцать стран мира — от Франции и Германии до Оттоманской империи и Аргентинской конфедерации — договорились поддерживать единую систему измерений.
Помимо прочего, эта конвенция провозглашает создание Международного бюро мер и весов со штаб-квартирой во Франции. Именно там по сей день хранятся все эталоны. А высшим мировым органом объявлялась Генеральная конференция по мерам и весам. Именно ее решения влияют на судьбу всех основных единиц измерения, с которыми мы сталкиваемся. И сейчас она должна принять новые определения для четырех из семи важнейших единиц.
Апгрейд килограмма
Не пугайтесь — для нас килограмм так и останется килограммом, масса двухсотграммового куска колбасы не увеличится и не уменьшится. Точно так же не изменятся и значения ампера, градуса температуры и моля.
— Значение предстоящих перемен заключается в том, что теперь могут измениться некоторые понятия, которые большинство из нас изучало в школе и которые до сих пор воспринимаются нами как высеченные на камне. Платиноиридиевый прототип килограмма, который содержится под тремя замками в хранилище под Парижем, будет отстранен от дел — после 137-летней службы. Это, без всякого сомнения, будет означать конец эпохи, — заявляет Стивен Паторай, директор Международной организации законодательной метрологии.
Когда человек придумывал единицы измерения, то в первую очередь смотрел вокруг себя. Вот я сделал шаг — это примерно метр. Хорошо пообедал — в желудке оказалось около килограмма еды и жидкости. Прошли сутки — это почти 24 часа. Начали замерзать лужи — значит, температура опустилась ниже нуля.
Эти интуитивные единицы ученые привязали к более точным показателям. Например, тот же килограмм — это масса воды в кубическом дециметре. Но требования к точности становились все более жесткими — тысячные доли, миллионные, миллиардные. Чтобы выразить килограмм через воду, нужно, чтобы она была абсолютно чистой, без пузырьков, солей и так далее. Еще надо точно зафиксировать температуру и атмосферное давление. Но, оказывается, и этого недостаточно! Даже чистейшая вода содержит примеси тяжелых изотопов водорода и кислорода… Проще создать эталонную гирю, которая будет объявлена килограммом и с которой станут сверяться все гири мира. Так и поступили.
Нынешний эталон массы был изготовлен в 1889 году из платины (90%) и иридия (10%). Внешне он напоминает цилиндр со сглаженными углами высотой примерно 39 миллиметров. С момента создания он хранится в штаб-квартире Международного бюро мер и весов, расположенного в Севре, предместье Парижа. Всего было создано более 80 копий. Две копии международного эталона были переданы России, они хранятся во ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге.
Главные национальные эталоны сверяются с другими образцами, используемыми в стране, для чего используется прибор под названием компаратор. На основе проверенных эталонов выверяют другие — и так по цепочке вплоть до весов в магазине, на которых взвешивают колбасу.
Основной российский килограмм хранится как кощеева смерть — под тремя герметичными колпаками, в сейфе, который находится за толстенными дверями в особом помещении специального корпуса Института метрологии. Важно защитить российскую гирьку от любых воздействий — атмосферных, температурных, сейсмических.
— Периодически мы возим наш эталон во Францию, чтобы сверить с главным эталоном. Да, просто берем, помещаем в специальный контейнер, садимся в самолет и отправляемся в командировку. В каком-то смысле это вполне рутинная процедура, — рассказывает ведущий научный сотрудник ВНИИМ им. Д. И. Менделеева Виктор Снегов. Его должность называется красиво: ученый хранитель Государственного первичного эталона единицы массы, или, если проще, — хранитель килограмма.
С главным французским килограммом сравнивают и другие национальные образцы. И результаты этих сравнений выявили странный эффект — массы цилиндров, которые изначально были полностью идентичными, стали различаться. За сто лет один образец потяжелел почти на 70 микрограммов, другой — на 25, третий — на 45, а еще один вообще стал легче на 30 микрограммов. Да, речь идет о миллиардных долях. Но для самого главного эталона и это очень важно. А самое обидное — нельзя объективно проверить, как изменилась масса главного эталона: ведь сколько бы он ни весил, это всегда будет приниматься за килограмм.
Это и послужило одной из причин, по которой решено было отказаться от определения килограмма через рукотворный эталон. Вместо этого предложено использовать какую-то постоянную физическую величину, подсчитанную с высокой точностью.
— Если мы по каким-то причинам потеряем нынешний эталон, то мы потеряем все. А если использовать константы, то можно легко этот эталон воспроизвести. И неважно, каким именно он будет: золотым цилиндром или кремниевым шаром, — поясняет Снегов.
Еще в 1960 году подобная операция была проделана с метром. Главной единицей стал не кусок металла, а длина волны, излучаемой изотопом криптона, помноженная на определенный коэффициент. А в 1983 году определение метра стало совсем элегантным: длина пути, пройденного светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды. То есть скорость света зафиксирована как точная константа, а метр уже отстраивается от нее.
Секунда тоже привязана к процессам микромира — это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 по Кельвину.
Для килограмма в качестве константы было решено взять постоянную Планка, названную в честь физика Макса Планка, который предложил ее в начале XX века. Это не такая легкая для понимания константа, как скорость света. Ее называют «элементарным квантом действия», «границей между макромиром и микромиром», «коэффициентом, связывающим величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой».
Но главное — она может выражаться в джоулях, помноженных на секунды. В свою очередь, джоули могут быть сведены к массе, расстоянию и времени. Длина и время уже определены фундаментальными константами. Вычислив постоянную Планка, мы получим самое объективное определение килограмма. Сейчас эта константа уже подсчитана с точностью до 2 10–8. Ученые считают, что этого достаточно, чтобы объявить всему миру о новом принципе определения массы.
P. S. На момент подписания номера в печать еще не было ясно, примет ли Генеральная конференция по мерам и весам, проходящая с 12 по 16 ноября в Версальском дворце, новое определение килограмма и других единиц. В частности, для того чтобы можно было определиться с массой, должны с высокой точностью совпасть данные измерения постоянной Планка (это делается с помощью так называемых ватт-весов) и числа Авогадро (его получают путем подсчета количества атомов в кремниевой сфере). Но в любом случае килограмм уже никогда не будет прежним.
Семь главных единиц измерения
Все остальные можно получить на их основе
| Название | Как определялась до недавнего времени | Как будет определяться |
| Килограмм | Масса полностью эквивалентная эталону, хранящемуся в Парижской палате мер и весов. Это последняя единица, связанная с искусственным объектом | В основе определения килограмма будет лежать постоянная Планка, которая сейчас определена довольно точно: 6,626070040 × 10−34 Дж·c |
| Метр | Длина пути, пройденного светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды | Концептуально ничего не изменится, лишь слегка скорректируют формулировку |
| Секунда | Время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К | Здесь то же самое, что и с метром |
| Ампер | Сила тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10−7 ньютона | Это громоздкое определение предполагается отменить, а новое сделать на основе элементарного электрического заряд — такой, например, имеет электрон и протон. Сегодня он подсчитан с точностью до многомиллиардных долей — 1,6021766208(98) × 10−19 кулона |
| Кельвин | Градус температуры, который равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (это примерно ноль по шкале Цельсия) | Кельвин — изменение термодинамической температуры T, которое приводит к изменению тепловой энергии kT точно на 1,38064852(79) × 10–23 джоуля, где k — постоянная Больцмана |
| Моль | Количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов или других частиц), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг | Определение будет привязано к числу Авогадро, которое сейчас определено с очень высокой точностью: 6,02214129(27) × 10²³ моль¹ |
| Кандела | Сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср | Предполагаются небольшие уточнения формулировки |
История метра
Как определяли метр в разные эпохи
| Год | Определение метра |
| 1790 | Длина маятника с полупериодом колебаний в одну секунду. Поскольку на скорость колебаний влияет удаленность от экватора, то в определении метра было сделано уточнение — этот маятник должен находиться на широте 45° (например, в Бордо или Венеции) |
| 1795 | 1⁄10 000 000 часть четверти Парижского меридиана |
| 1799 | Платиновый эталон Metre des Archives |
| 1889 | Платиноиридиевый эталон при температуре таяния льда |
| 1927 | Платиноиридиевый эталон с еще более детальным уточнением: при температуре таяния льда и атмосферном давлении, поддерживаемый двумя роликами |
| 1960 | Длина волны оранжевой линии спектра, излучаемого изотопом криптона-86 в вакууме, умноженная на 1 650 763,73 |
| 1983 | Длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды |
Фотографии: Пресс-служба ВНИИМ им. Д.И.Менделеева и Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl