Если хотите окунуться в атмосферу настоящего Парижа, ваш путь лежит на Rue de Vaugirard, самую длинную улицу города. На Рю-де-Вожирар вы увидите книжные лавки, недорогие кафе и булочные, пахнущие свежими круассанами. Рядом — Люксембургский сад, недалеко церковь Сен-Сюльпис, фигурирующая в «Коде да Винчи» Дэна Брауна, рукой подать до острова Сите… Но самая культовая научная достопримечательность будет очень неприметной.
200-ЛЕТНИЙ РАРИТЕТ
Рядом с домом №38 у вас появится шанс сделать уникальное селфи на фоне мраморной плиты с эталоном метра, установленной ещё в конце XVIII века. Из 16 образцов, развешанных в общественных местах Парижа, до нашего времени сохранились только два, причём на своём месте остался тот самый «вожирарский» (другой экспонат сейчас находится на фасаде Министерства юстиции на Вандомской площади). Всё это — плоды Великой французской революции, которая оказала огромное влияние на современный мир. Декларация прав человека, деление политиков на «правых» и «левых», гражданский кодекс, рестораны в их современном понимании, консервы и, конечно же, метрическая система — вот её достижения. О последнем в списке мы и поговорим. Начнём с легендарных «Трёх мушкетеров». Великолепная книга Д, хотя и считается художественным произведением, содержит множество точных исторических деталей. Читателей романа часто смущает обилие денежных единиц.
Экю, пистоли, ливры, луидоры — не слишком ли много монет для одной страны? Все они соотносились друг с другом произвольно, и из мушкетёров только д’Артаньян, по ироническому замечанию Дюма, «считавший как Архимед», мог легко ориентироваться в нумизматических дебрях. Не меньший кавардак царил во Франции и с другими единицами. Ливр (фр. livre, от лат. libra — весы, римский фунт) был не только монетой, но и основной мерой веса, причём… неодинаковой! Так, парижский «ливр» весил 490 грамм, а вот его лионский «тёзка» — всего 425 г, в Марселе он вообще едва переваливал за 400 г. Такой разнобой отчасти объяснялся разрозненностью французов и нежеланием платить налоги Парижу. Преодолеть сопротивление французской аристократии и начать централизацию смог герцог А Ж П (1585–1642), известный нам как Р. А вот дело герцога продолжила Великая Французская революция! В благородном порыве начать жизнь по-новому французы перешли на десятичную систему счисления всего: от расстояния до времени.
Так, вместо недели была введена декада, сутки были поделены на 10 десятичных часов, час на 100 десятичных минут, а минута на 100 десятичных секунд. И если со временем получился конфуз (реформа была отменена Наполеоном в 1806 году), то метрическая система завоевала мир благодаря своему удобству.
ПОД ОДНУ ГРЕБЁНКУ
9 марта 1790 года депутат Национального собрания Ш М Т- П (1754—1838), будущий «хромой дьявол» европейской политики, предложил создать общенациональную систему мер и весов, призванную избавить страну от тысяч устаревших и никак не связанных друг с другом способов измерения. «На все времена, для всех народов» — работы начались именно под таким лозунгом. А за основу были приняты идеи математика и астронома предыдущего столетия Г М, предложившего в 1670 году десятичную шкалу измерений. Фундаментальным принципом новой системы мер должен был стать «естественный» эталон: новые единицы должны вводиться не на основе соглашений (типа «расстояние от кончика носа короля до кончика среднего пальца его руки, вытянутой в сторону»), а на базе простого и воспроизводимого определения.
Первой из них стал метр (от греческого metron — мера), определённый 19 марта 1791 года «звёздной» Комиссией мер и весов (в неё входили выдающиеся и кристаллограф Р Ж А. Их детищем стал грамм — масса одного кубического сантиметра дистиллированной воды, взятой при температуре плавления льда. За дело снова взялся ювелир Э Л — он изготовил медную эталонную гирю массой в 1000 граммов, которая и стала прототипом новой единицы массы — килограмма. В 1799 году по предложению физика Л Л-Г воду было решено взвешивать при температуре её максимальной плотности (4 °C). Следующий эталон массы был отлит в нескольких экземплярах из пористой платины (она, в отличие от меди, не окисляется).
Позже выяснилось, что один кубический дециметр воды на 0,028 г меньше массы архивного эталона — платинового цилиндра высотой и диаметром по 3,9 см. В 1872 году решением Международной комиссии по эталонам метрической системы за килограмм было принято считать массу эталона, а не литра воды. Через 8 лет французы изготовили ещё 4 экземпляра международного эталона из платино-иридиевого сплава. Сейчас они хранятся под двумя герметичными стеклянными колпаками в сейфе, расположенном в подвале Международного бюро мер и весов в Севре неподалёку от Парижа. В 1889 году килограмм был окончательно «оторван» от воды и определён как равный по массе международному эталону.
КАК СООТНОСИЛИСЬ МОНЕТЫ ФРАНЦИИ
- 1 лиард = 3 денье
- 1 су = 4 лиарда
- 1 ливр = 1 франк = 20 су
- 1 экю = 3 ливра
Весы Ампера в Национальном бюро стандартов США. Весы Киббла являются продолжением развития ампер-весов.
учёные Л и Л) как десятимиллионная доля квадранта (дуги от экватора до полюса) парижского меридиана. Правда, с точным определением возникли сложности, поэтому академики воспользовались прежними измерениями и ввели временный эталон. Его было поручено воплотить в меди бывшему королевскому инженеру Э Л. Французы приняли новую систему без особого энтузиазма. С этим и связано появление на самых оживлённых улицах Парижа мраморных эталонов метра: так власти приучали людей к новой мере длины.
Дело пошло несколько живее, когда выкройки в модных журналах стали печататься с метровыми и сантиметровыми размерностями. И всё же сам Наполеон негодовал: «Нет ничего более противного устройству человеческого ума, памяти и воображения… Новая система мер и весов станет помехой и источником трудностей для нескольких поколений», — и вернул старую систему в 1812-м в употребление на равных с метрической. Последняя стала обязательной во Франции только после свержения императора — с 1840 года. За массу в Комиссии «отвечали» великий химик А ЛВесы Ампера в Национальном бюро стандартов США. Весы Киббла являются продолжением развития ампер-весов.
ДРЕЙФУЮЩИЕ МАССЫ ЭТАЛОНОВ КИЛОГРАММА
Каждые 40 лет все официальные копии сравниваются с оригиналом, хранящимся в Севре (Франция). Так было обнаружено, что массы эталонов со временем меняются.
Международная система единиц и взаимосвязь между физическими величинами
КАПРИЗНАЯ КОНСТАНТА
Это решение ознаменовало возвращение «договорных» величин и отход от принципа «естественной религии», где эталоны меры определяются на основе природных констант, одинаковых в любой точке планеты. К тому же, как выяснилось позже, эталон массы отнюдь не идеален: за 120 лет он уменьшился на 50 мкг. Главной причиной «похудения» учёные считают микроперенос вещества на подставку и на захваты при сверке с другими эталонами. Это пустяк, если вы покупаете на рынке помидоры или ананасы, но для науки — особенно экспериментальной, где требуется предельно возможная точность, — такое «гуляние» константы неприемлемо. Сразу после окончания Второй мировой войны научное сообщество всерьёз озаботилось возвращением фундаментальных единиц в лоно «матери-природы».
В 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение ввести эталон длины, базирующийся на оптических измерениях. К началу 80-х за метр было принято расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Скорость света, фундаментальная константа, стала основой нового метрического эталона. Подобную трансформацию пережила и секунда, превратившаяся в 1967 году из 1/86400 части средних солнечных суток в 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры покоящегося изотопа цезия-133.
ВМЕСТО ГИРЬКИ
Но килограмм ещё полвека оставался привязанным к металлической болванке, хотя попытки применить иные принципы измерений предпринимались неоднократно. Например, в 2004 году в рамках проекта «Авогадро» (International Avogadro Project) российские специалисты получили сверхчистый кремний-28 (степень очистки — 99,994 %), из которого в Германии вырастили несколько монокристаллов. Затем эти заготовки доставили в Австралийский центр высокоточной оптики в Сиднее, где инженер А Л изготовил несколько самых гладких килограммовых шаров в мире. Подсчитав количество атомов в шаре, можно определить единицу массы на основе числа Авогадро (ещё одной константы). Но и этот способ был отвергнут из-за недостаточной чистоты вещества, хотя в 2014 году американские физики и смогли получить кремний фантастической чистоты — 99,9998 %. В 1999 году сотрудники Национального института стандартов США П М и Б Т предложили использовать весы Киббла (о них чуть подробнее ниже) в качестве эталона.
28 февраля 2005 года в журнале Metrologia эти учёные (совместно с специалистами Я М, Т К и Э У) опубликовали статью «Переопределение килограмма: решение, время которого пришло», в которой обосновали революционный подход к проблеме непостоянного килограмма. Аргументы были столь убедительны, что в 2011 году на XXIV Генеральной конференции по мерам и весам метрологи приняли принципиальное решение: больше никаких материальных эталонов! Теперь в определении килограмма главную роль будет играть постоянная Планка, коэффициент, связывающий энергию кванта любой колебательной системы с её частотой. Казалось бы, а при чём здесь масса? Очень даже при том, если вспомнить знаменитую эйнштейновскую формулу E=mc², устанавливающую эквивалентность массы и энергии. Новое определение, вступившее в силу 20 мая 2019 года, гласит: килограмм равен постоянной Планка, поделённой на 6,626070040 ×10−34 м²·с− ¹ Фактически это значит, что килограмм приобрёл энергетический смысл.
Вернуться к привычной «весовой» интерпретации килограмма помогут весы Киббла. Устройство этого электромеханического агрегата опирается на давно известный закон Ампера, согласно которому магнитное поле действует на проводник с током с силой, прямо пропорциональной длине проводника, силе тока и индукции поля. Нагрузив одно плечо рычага чашкой с грузом, а другое — катушкой в магнитном поле постоянных магнитов, можно, подбирая ток, уравновесить весы. «На пальцах» всё просто и элементарно. Первые токовые весы (ампер-весы) были изобретены знаменитым физиком К ещё в 1882 году. В чем же заслуга Б К, сотрудника Национальной физической лаборатории Великобритании, в 1975 году усовершенствовавшего конструкцию весов Кельвина? Здесь надо вернуться к закону Ампера. Из трёх параметров — длины проводника (L), индукции магнитного поля (B) и силы тока в проводнике (I) — проще всего измерять последний, подключив амперметр. А вот с первыми двумя все сложнее: нужны дополнительные усилия, в ходе которых обязательно возникнут трудноучитываемые погрешности.
ПИШЕМ «ЭНЕРГИЯ», ЧИТАЕМ «МАССА»
Киббл предложил разбить взвешивание на два этапа, добавив шаг калибровки. Для этого отключенную от источника тока катушку равномерно протягивают в магнитном поле. По закону Фарадея в катушке возникает ЭДС, прямо пропорциональная скорости проводника и — внимание! — его длине и индукции магнитного поля! Таким образом, число измеряемых величин вместо пяти сводится к двум — силе тока и наведённому напряжению в проводнике (скорость задаётся прецизионным приводным механизмом под контролем интерферометра, а для определения ускорения свободного падения есть весьма точные гравиметры). А как их точно измерить? Вряд ли здесь подойдут обычные приборы, ведь речь идёт о миллиардных долях ампера и вольта, поэтому без квантовой физики не обойтись.
В основе сверхточных измерений — квантово-механические эффекты Холла и Джозефсона, в которых главную роль играет постоянная Планка (весы Киббла, кстати, изначально предполагалось использовать для её уточнения). Таким образом эталон массы «отвязывается» от старинного артефакта во Франции и становится действительно независимым. При том, что весы Киббла — установка сложная и дорогая (сейчас в мире они есть всего в семи метрологических лабораториях — в США, Швейцарии, Франции, Канаде, Китае, Новой Зеландии и Южной Корее), любая страна, располагающая современной научно-технической базой, в состоянии их построить и создать свой эталон, не прибегая к французской гире.
СТАРАЯ И НОВАЯ СИСТЕМА МЕР
В 2019 году все базовые единицы СИ были переопределены через семь универсальных физических констант. Таким образом, отпала необходимость в эталонах — каждый желающий может получить любую базовую единицу.
Кремниевая сфера, которая используется при измерениях постоянной Авогадро
Весы Киббла используют электрически созданную силу, чтобы измерить массу
ПЕРВОЕ ИЗМЕРЕНИЕ
Электрический ток создает силу, равную силе притяжения
BLI = mg
- L — длина проводника,
- В — индукция магнитного поля,
- I — сила тока, m — масса,
- g — ускорение свободного падения.
ВТОРОЕ ИЗМЕРЕНИЕ И КАЛИБРОВКА
Скорость проводника измеряется лазером
Напряжение на концах весов равно U = BLv(закон Фарадея), где v — скорость проводника: U v = BL = mg
I или, если подставить значения из первого измерения,
UI = mgv
Б Т, бывший много лет главой Центра фундаментальных констант Физической лаборатории (США), поясняет: «Сейчас метрологи для реализации эталонов основных единиц стараются полагаться на фундаментальные физические константы. Это обеспечивает максимальную точность измерений и позволяет с равной надёжностью воспроизводить эталонные единицы в любой лаборатории, располагающей нужным оборудованием». Его коллега, физик и метролог С Ш даже построил работоспособную модель весов Киббла из конструктора LEGO, наглядно показав, что теперь эталон килограмма стал действительно «a tous les temps, à tous les peuples» — «для всех времён, для всех людей». Если, конечно, постоянная Планка не изменится.
