Приблизительно килограмм

Метр стал не приблизительной, а точной величиной в 1983, когда было принято решение, что он равен 1/299 792 458 расстояния, которое свет проходит за одну секунду. История, кстати, замечательная и, в некотором, роде парадоксальная, перескажу Википедию своими словами коротенечко. Длина метра постоянно уточнялась, начиная с конца XVIII века, когда метр определили, как одну сорокамиллионную часть меридиана, проходящего через Париж, и, не долго думая, отлили метр из платины. Было дорого и круто, но, как его не берегли от перепадов температур и прочих внешних воздействий, позже точности стало не хватать для стремительно развивающейся науки.

В 60-х годах прошлого века физики разобрались с атомами получше и переопределили метр через некоторое количество длин волн, излучаемых конкретным изотопом Криптона (это такой инертный газ, а не родина Супермена). Точность выросла на два порядка, но зачем на этом останавливаться?

И физики придумали вот какую хитрость: измерили скорость света в вакууме тем самым приблизительным метром, а потом просто договорились, что теперь метр равен не приблизительно, а точно расстоянию, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды.

Понимаете в чем фишка? Нам больше не нужен эталон метра, не нужен никакой изотоп Криптона, а достаточно в любой момент взять, засечь 1/299 792 458 секунды и посмотреть сколько пролетит свет – вот вам и метр с той точностью, которой позволяют добиться ваши часы с кукушкой.

Но вот чтобы засечь секунду, нужно отсчитать 9 192 631 770 периодов излучения атома цезия-133 – и с этим в домашних условиях опять сложновато.

Но черт с ней с секундой. У килограмма гораздо больше проблем, потому что он до сих пор (!) определяется как «масса, равная массе международного прототипа килограмма». А прототип этот, хоть и сделан из платино-иридиевого сплава, но с нынешней точностью измерения – никуда не годится.

Для определения килограмма через что-то более фундаментальное, чем гиря, физики идут сейчас двумя путями, и точное значение килограмма будет объявлено в 2018 году .

Кремниевая сфера
Первая научная группа Avogadro Project занимается созданием идеальной сферы из кремния («болванки», кстати, сделаны в России). Суть метода в том, чтобы выяснить сколько атомов кремния содержится в определенном объеме, масса одного атома известна, соответственно по пути уточнив число Авогадро, получится задать и точное значение килограмма в пересчете на атомы кремния.

Сферу удалось привести к настолько правильной форме, что если увеличить ее до размеров земного шара, то перепады высоты составляли бы не более нескольких метров!

(источник)

Ватт-баланс
Другая стратегия в переопределении килограмма не так проста для понимания. В основе метода лежит измерение двух процессов на одной и той же установке – «взвешивание» и измерение скорости. Сначала тестовая масса подвешивается таким образом, чтобы силу тяжести компенсировала сила, создаваемая магнитным полем электрической катушкой – с высокой точностью измеряются ток и напряжение, при которых «весы» приходят к балансу.

Затем измеряется ток, создаваемый в той же катушке при движении той же массы с определенной скоростью, измеряемой с помощью лазерного интерферометра.

Дальше в дело вступает обычная алгебра. Если перекомпоновать уравнения, описывающие первое и второе измерения, таким образом, чтобы в одной части осталось произведение длины проволоки в катушке на напряженность магнитного поля, то оставшиеся части уравнений можно приравнять друг к другу, что избавляет экспериментаторов от необходимости измерять эти параметры установки.

В результате, в одной части уравнения получается электрическая мощность, в другой – механическая. В цепь катушки входят последовательно включенные элементы, называемые джозефсоновскими контактами, что позволяет с невероятной точностью измерять напряжение в цепи. Для измерения тока используется Квантовый эффект Холла. Но самое замечательное – оба упомянутых явления связаны с постоянной Планка, что в итоге позволяет выразить ее через измеряемую массу. (Больше матана и подробностей по ссылке.)

В итоге, мы имеем два независимых метода, которые проверяют друг друга и дают ученым принципиально новый килограмм, гораздо более лучший, чем эталонная гиря.

Вместо заключения
Для нас, обывателей, это все кажется не особо значимым, ну мало ли, чем там эти ученые занимаются – то коллайдер построят, то к гравитации докопаются. Но важно понимать, что фундаментальная наука – одна из самых важных основ нашей цивилизации. Например, когда-то сила Ампера казалась просто прикольным эффектом, а сейчас на той же самой силе работают несчетные электрические двигатели. Можно выдумать сотни примеров, когда, спустя время, фундаментальные исследования привели к созданию невероятных приборов бытового назначения. И увеличение точности измерений – важный шаг для всей физики и технологий в целом.