Эталону килограмма подобрали квантовую формулу

Подпись: Физический эталон массы, просуществовавший более ста лет, уходит в прошлое. Фото Reuters

Прошедшая на прошлой неделе в Париже XXVI Генеральная конференция мер и весов одобрила самую значительную более чем за полвека реформу в международной системе единиц. Новые, более точные определения получили единицы ампера, кельвина, моля и килограмма. Самым долгожданным стал пересмотр единицы килограмма: он оставался последней мерой, которая зависела от физического объекта – эталона, а теперь будет выражаться формулой из квантовой физики.

Эталоном массы вот уже более ста лет считается небольшой цилиндр из сплава платины и иридия, хранящийся в Международном бюро мер и весов во французском Севре близ Парижа с 1889 года в особых условиях. Гиря находится под двумя стеклянными колпаками, из которых откачан воздух, а доступ в комнату, где он расположен, имеют всего три человека, причем, чтобы попасть в нее, им нужно одновременно повернуть ключи. Для национальных метрологических организаций с этого образца сделано 80 специальных копий.

Несмотря на специальные меры предосторожности, в конце XX века ученые обнаружили, что цилиндр постепенно теряет массу. И хотя потери представляли собой всего лишь 50 микрограммов, этого было достаточно, чтобы научное сообщество начало разрабатывать новый стандарт, ведь для нынешних технологий нужна предельно максимальная точность. Перед учеными поставили главное условие – новая эталонная мера не должна быть подвержена изменениям.

Для решения задачи требовалось выразить килограмм через фундаментальные физические константы. Над этой проблемой ученые безуспешно бились десятилетиями. В 2011 году Международный комитет мер и весов начал разработку математического эталона массы. За основу были взяты постоянная Планка, которая связывает энергию частицы с частотой ее колебаний, и формула Альберта Эйнштейна E=mc2.

Для реализации этих планов потребовалось установить точное значение постоянной Планка. Ученые провели три независимые оценки по различным методикам, но результаты всех замеров немного отличались. Чтобы ликвидировать погрешности, пришлось повторить эксперименты и достичь требуемой точности – вероятность ошибки составляет всего 12 частей на миллиард. Согласование результатов позволило приступить к определению значения эталона массы.

Для расчета этой величины в Национальном метрологическом институте Германии были созданы идеально гладкие сферы из монокристалла изотопа кремния-28 с шероховатостью, не превышающей трех десятых нанометра. Монокристаллы были выращены из стабильного сверхчистого изотопа кремния-28, изготовленного на Электрохимическом заводе Топливного дивизиона Росатома в Красноярском крае в рамках кооперации по международному проекту «Килограмм». Примесей в кремниевой сфере настолько мало, что ее масса отличается от идеальной меньше чем на одну десятимиллионную долю грамма. В физическом выражении теперь новый эталонный килограмм имеет и свою частичку российского происхождения.

«Росатом – глобальный лидер по продвижению российских ядерных технологий. Доказательство их конкурентоспособности, надежности и безопасности основывается на результатах измерений – только так можно подтвердить декларируемые параметры. Для этого нужны максимально точные средства измерений: если они будут допускать большие неопределенности, заказчик не будет уверен в декларируемых значениях. Использование новых подходов в определении килограмма ведет к переходу к новым технологиям и повышает конкурентоспособность российской атомной отрасли», – рассказал главный метролог госкорпорации «Росатом» Николай Обысов.

И вот наконец результаты исследований утверждены Генеральной конференцией мер и весов. Нынешний платино-иридиевый эталон массы потеряет свой статус 20 мая 2019 года, во Всемирный день метрологии. Килограмм отныне будет выражаться определенным количеством электрической энергии, рассчитываемой на основе постоянной Планка. Новые определения важны для ученых всего мира, потому что в научных исследованиях должна соблюдаться идеальная точность формулировок и измерений. «Речь идет об окончательном отказе от связи системы единиц с артефактами. Фактически принимается новая система единиц, которая будет использоваться почти во всех странах мира», – заявил директор Международного бюро мер и весов Мартин Милтон, сравнивший итоги сессии с принятием в 1875 году Метрической конвенции. А технологические компетенции Росатома позволили выполнить российскую часть работы в рамках крупнейшего международного проекта. Эти компетенции, возможно, еще потребуются мировому научному сообществу: его следующая цель – дать новое определение секунде, используя атомные часы.

«Необходимость переопределения килограмма потребовалась из-за того, что мы живем в очень сложном технологичном мире, различные технологии пронизывают всю нашу жизнь. Для любого человека внедрение таких современных метрологических решений – гарантия того, что то, что он потребляет, является безопасным и надежным, – объяснил Николай Обысов. – Например, глобальные навигационные системы: как только вы округляете значения измерений, вы уже не можете обеспечить необходимую точность позиционирования. Если навигатор будет показывать не ту дорогу, по которой вы едете, а дорогу в ста метрах от вас – это мало кого устроит. Другой пример: человек заболел раком, нужно облучить опухоль. Для этого нужно совершенно точно позиционировать пучок и рассчитать его энергию. Поэтому в медицине принципиально важны наиболее точные средства измерений, они позволят более качественно проводить медицинское обследование и лечение».