Взвесить кило яблок, узнать свой вес и даже измерить массу молекул нам помогут весы. Этот инструмент удобен и прост в использовании, но у него, как и у многих аналитических приборов, есть существенный недостаток — время от времени его нужно калибровать по стандарту. Однако со стандартом килограмма не всё так просто.
МАТЕРИАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ
В 1668 году английский философ Д У предложил использовать заданный объём воды для измерения массы. Но только спустя век сложная традиционная система измерения уступила место метрической, в частности, в области массы. За 1 грамм был принят вес 1 см3 дистиллированной воды при температуре таяния льда, и был изготовлен соответствующий эталон. Работать с новым стандартом было непросто. Во-первых, не всегда удаётся поддерживать абсолютную чистоту воды. «Водяной» стандарт слишком быстро менял заданную массу за счёт растворённых газов. Во-вторых, обычно мы работаем с предметами, масса которых намного больше 1 грамма.
Было решено изготовить эталон в тысячу раз тяжелее грамма. Кстати, поэтому килограмм — это единственная единица измерения системы СИ с приставкой «кило». В 1899 году был изготовлен Международный прототип килограмма — металлический цилиндр из платиновоиридиевого сплава диаметром и высотой 39,17 мм. Он хранится в герметичных условиях под защитным стеклянным куполом в подвале Палаты мер и весов в пригороде Парижа, и по нему на протяжении более ста лет устанавливалось значение килограмма. Эталон отвечал всем требованиям стандартов: материал, из которого он изготовлен, химически инертный и прочный, а хранение обеспечивало абсолютную герметичность.
ДЛЯ ЧЕГО НУЖЕН СТАНДАРТ?
Представьте, у вас сбились весы. Что делать? Можно взять гирьки с известной массой и откалибровать по ним. А если вы работаете в фармацевтической лаборатории, то для калибровки ваших весов нужны гирьки со сверхточной массой, наподобие международного эталона килограмма. Но что, если мы не можем гарантировать точность веса и этого эталона? Как настроить весы, когда гирьки с самым точным весом в мире имеют неточный вес? Тогда под угрозой само понятие «килограмм».
Кроме самого эталона, было изготовлено несколько копий, которые хранятся в разных частях света, и несколько рабочих эталонов, по которым калибруются измерительные приборы. Но у килограмма возникли проблемы. С момента изготовления международного эталона его несколько раз сравнивали с национальными копиями. Измерения показали, что, в теории одинаковые, эталоны отличаются по массе. Оказалось, что со временем эти цилиндры «худеют» — атомы металла испаряются с поверхности сплава. Разброс массы вырос до 50 микрограммов за 100 лет, а использовать стандарт массы, который меняется, неприемлемо. В 2011 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение переопределить килограмм, привязав его к фундаментальным физическим константам. Идея заключалась в том, чтобы единица измерения не была основана на рукотворных артефактах, — килограмм предстояло сделать нематериальным.
Кроме самого эталона, было изготовлено несколько копий, которые хранятся в разных частях света, и несколько рабочих эталонов, по которым калибруются измерительные приборы. Но у килограмма возникли проблемы. С момента изготовления международного эталона его несколько раз сравнивали с национальными копиями. Измерения показали, что, в теории одинаковые, эталоны отличаются по массе. Оказалось, что со временем эти цилиндры «худеют» — атомы металла испаряются с поверхности сплава. Разброс массы вырос до 50 микрограммов за 100 лет, а использовать стандарт массы, который меняется, неприемлемо. В 2011 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение переопределить килограмм, привязав его к фундаментальным физическим константам. Идея заключалась в том, чтобы единица измерения не была основана на рукотворных артефактах, — килограмм предстояло сделать нематериальным.
Представьте, у вас сбились весы. Что делать? Можно взять гирьки с известной массой и откалибровать по ним. А если вы работаете в фармацевтической лаборатории, то для калибровки ваших весов нужны гирьки со сверхточной массой, наподобие международного эталона килограмма. Но что, если мы не можем гарантировать точность веса и этого эталона? Как настроить весы, когда гирьки с самым точным весом в мире имеют неточный вес? Тогда под угрозой само понятие «килограмм».
ВЕСЫ КИББЛА Килограмм было решено переопределить через постоянную Планка в ноябре 2018 года на конференции по мерам и весам в Версале. Единицей измерения этой постоянной является м2�кг�с-1, поэтому, зная её величину и эталонные значения секунды и метра, можно легко определить значение килограмма. Теперь самое главное — точно измерить постоянную Планка. Что и было сделано 20 мая 2019 года.
Б К (1938–2016) — британский физик и метролог. Он изобрёл ватт-баланс на основе токовых весов (ампер-весов) для уточнения значения постоянной Планка.
Для такого измерения используются весы Киббла. Чем они отличаются от обычных? Обычные весы уравновешивают силы тяжести, действующие на взвешиваемые объекты: на одну чашу кладут предмет, на другую — гирьки известной массы. На весах Киббла же взвешивание происходит на одной чаше: измеряемая масса прикреплена к катушке, которая создаёт магнитную силу, а на месте другой чаши находится двигатель. Установка полностью герметична. Задача прибора — установить равновесие между массой и электрической мощностью. Это позволит в итоге рассчитать значение постоянной Планка. Этот суперточный прибор позволяет проводить взвешивание без гирь. Он работает практически по такому же принципу, что и токовые весы. Однако в весах Киббла измеряется напряжение электромагнитной индукции при движении катушки с постоянной скоростью в том же магнитном поле, в котором производится взвешивание. Погрешность, обусловленная размерами катушки, исключается. Скорость же катушки измеряется с помощью интерферометра. Напряжение и ток сегодня можно измерить с невероятной точностью, используя квантовые эффекты.
ВАТТ-БАЛАНС В токовых весах можно уравновесить две силы: силу тяжести предмета, подвешенного на провод, и магнитную силу, которая действует на тот же провод, через который проходит ток, когда провод помещён в магнитное поле. На языке формул это выглядит так:
Теперь у нас два уравнения:
mg = BLI и U = BLυ
- Их можно выразить через од
- Масса груза
- Сила магнитного поля
- Ускорение свободного падения
- Сила тока
- Длина провода
- mg = BLI
РЕЖИМ ВЗВЕШИВАНИЯ
В таком методе невозможно с высокой точностью определить силу магнитного поля В и длину провода L. То есть константу BL нужно заменить. Что и предложил сделать британский учёный Б К. В предложенном им устройстве есть другой режим работы — режим скорости. Проводник отключается от питания и с постоянной известной скоростью υ проходит через то же самое магнитное поле. В результате на концах проводника образуется напряжение:
РЕЖИМ СКОРОСТИ
Но где же в этом уравнении постоянная Планка? Тут к нам на помощь приходят квантовые эффекты, называемые эффектом Джозефсона и эффектом Холла. Напряжение U линейно зависит от постоянной Планка следующим образом:
А сила тока I выражается через U (I = U/R), где электрическое сопротивление R равно:
Итак, объединив все эти уравнения, получаем зависимость постоянной Планка от массы объекта:
Теперь мы можем определить постоянную Планка через массу в 1 кг. Для получения нужного значения нам необходимо как можно точнее определить скорость движения проводника υ с помощью интерферометра, ускорение свободного падения g и частоту излучения f. Построить прибор, способный совместить всё это, было непросто — учёные бились над этой задачей последние тридцать лет. И наконец 20 мая 2019 года было получено значение постоянной Планка с точностью в десять миллиардных долей. Теперь мы можем использовать это значение для измерения массы по выше приведённому уравнению. Новый эталон позволяет избавиться от необходимости сверки с «артефактом». Теперь любая квалифицированная лаборатория может воспроизвести единицу измерения. Но это не значит, что все, у кого есть ватт-баланс, могут абсолютно независимо устанавливать своё значение килограмма. Сверять стандарты проведения измерения всё ещё нужно. Но самое главное — теперь нет нужды сверять свой килограмм с рукотворным объектом, а килограммовый эталон можно создать в любой части света.
