Вчені змінили визначення кілограма

Від сьогодні еталон одиниці ваги більше не визначається гирею, яку зберігають в Парижі.

До сьогоднішнього дня еталоном кілограма у світі була вкрита платиною гиря під назвою «Le Grand K”, яку під трьома замками зберігали в сейфі в Парижі.

Але сьогодні вчені під час зустрічі у Версалі проголосували за те, щоб позбутися її на користь визначення кілограма, яке виводиться з електричного струму. Про це пише BBC, додаючи, що рішення було ухвалене на Загальній конференції ваги і мір у Парижі.

Втім, деякі вчені, такі як Перді Вілльямс з Національної лабораторії фізики Великої Британії, висловлюють змішані відчуття через зміну.

«Я не займаюся цим проектом надто довго, але у мене дивна відчуття прив’язаності до кілограма. Гадаю, це надзвичайний і дійсно великий момент. Тому мені трохи сумно через зміну. Але це важливий крок вперед. А нова система буде працювати значно краще», – пояснила Вілльямс.

Суть нового визначення кілограма криється в електромагнітній силі. Потужні магніти вже давно використовуються для переміщення металевих вантажів. Сила притягання магніту напряму залежить від кількості струму, яка проходить через його котушки. А отже існує прямий взаємозв’язок між електрикою і вагою. Виходячи з цього, вчені виводять точне визначення кілограма.

“Інопланетяни нас засміють”: Вчені вирішили змінити суть кілограма

На сьогодні еталонний кілограм – це металева гиря в сховищі лабораторії Парижа.

Для групи спеціалістів з особливо важливої сфери метрології, це буде один з найвидатніших моментів за більш ніж століття.

З 1889 року один з головних стовпів науки – кілограм – визначався шматком металу, який зберігається під трьома замками у сховищі лабораторії на околицях Парижу. Це єдиний справжній кілограм у світі. Але тепер все зміниться.

Як пише The Guardian, наступного тижня головні вчені у сфері одиниць вимірювання зберуться, щоб творити історію. На головній конференції з одиниць міри і ваги у Версалі представники 57 країн будуть голосувати за внесення змін у кілограм. Таким чином, єдина одиниця вимірювання, яка бере за еталон твердий об’єкт, буде перероджена. Відтепер кілограм буде виводитися з фундаментальної константи, числа, яке вплетене в саме полотно всесвіту.

Голосування загалом буде формальністю. Дебати вже відбулися, рішення погоджене. Але навіть народні революції – справа напружена.

«Це буде нервовий момент», – передбачає фізик Національного інституту стандартів і технологій США Стівен Шламмінгер, який теж буде брати участь у голосуванні.

«Я думав про це і працював у цьому напрямку впродовж всієї наукової кар’єри. Інколи в мене були періоди зневіри. Це справді станеться? Чи я прокинуся і все виявиться сном?» – додав він.

Більша частина зустрічі наступного тижня буде присвячена рутинним справам, таким як ухвалення бюджету. А голосування щодо зміни суті кілограма відбудеться у п’ятницю.

«Буде добре розуміти, що все владналося. Ми будемо знати принаймні, що ніхто не встав і не сказав, що все це абсурд. І ми не будемо нічого змінювати», – додав голова метрології мас національної лабораторії Теддінгтона Стюарт Девідсон.

Сучасна одиниця вимірювання бере свій початок з середини 18 століття, коли стало зрозуміло, що країнам потрібні спільні міри. Міжнародна торгівля була на підйомі, тож ставало не розумним міряти, наприклад, сукно на продаж стопами місцевого князя. В 1700-х роках король Луї XVI наказав вченим знайти розумний підхід. Зібрана група дослідників запропонувала систему на основі природи, яка б підійшла «всім народам у всі часи». Метр був визначений як одна десятимільйонна частина відстані від Північного полюсу до екватора. Кілограм же був визначений вагою одного літра води. Щоб зробити одиниці вимірювання більш практичними, кожна з них була втілена в фізичному об’єкті. Так з’явилася метрова металева смужка і кілограмова еталонна гиря. З часом схема перетворилася на міжнародну систему одиниць, яка включала: метр для вимірювання відстані, секунду для обліку часу, кілограм для маси, моль для кількості речовини, ампер для електричного струму, кельвін для температури і кандела для світності.

Впродовж останніх 129 років світовим еталоном міжнародної одиниці ваги був блискучий вкритий платиною циліндр, який зберігається під трьома замками в Міжнародному бюро ваги і міри у Севрі на заході Парижа. Національні лабораторії метрології зберігають копії цього циліндра, щоб налаштовувати ваги у своїх країнах. Кожні 40 років копії повертаються в Париж для перевірки на відповідність оригіналу.

Це не погана система. Через те, що еталонний циліндр визначає кілограм, маса ніколи не викликає сумнівів. Це завжди на 100% один кілограм. Однак, його вага насправді трошки збільшується і зменшується. Платина на його поверхні збирає забруднювачі з повітря, що робить циліндр трошки важчим. Коли його чистять, кілограм втрачає вагу, оскільки невеликі часточки сплаву стираються. Неточність важко підрахувати. Але за століття еталонний кілограм втрачає десятки мікрограм у вазі. Всі вчені знають напевне, що кілограм, який визначає значення всіх інших, тепер вже не той, що колись. І цього достатньо, щоб розлютити метрологів.

«Якщо прибульці прилетять колись на Землю, хіба ми будемо говорити з ними про інше окрім фізики? Щоб говорити про фізику, там потрібно буде домовитися про спільні одиниці. Але якщо ми скажемо, що наша одиниця маси заснована на гирі металу, яку ми тримаємо в Парижі, над нами буде сміятися весь всесвіт», – сказав Шламмінгер.

Якщо голосування наступного тижня пройде без ексцесів, Землю буде врятовано від галактичної ганьби. З 1983 року метр вираховують від швидкості світла у вакуумі. Кілограм же будуть виводити зі сталої Планка, чиє число глибоко вплетене у квантовий світ.

Вчені скасували еталонний кілограм і прив’язали одиницю маси до сталої Планка

Учасники XXVI Генеральної конференції з мір та ваг, що проходить в Парижі, прийняли історичне рішення про перевизначення чотирьох із семи основних одиниць Міжнародної системи одиниць (СІ) – кілограма, ампера, кельвіна і моля. Нові визначення стали чинними 20 травня 2019 року. З цього моменту всі одиниці системи СІ будуть прив’язані до фундаментальних фізичних констант.

До сих пір вже 129 років кілограм був «одиницею маси, що дорівнює масі міжнародного прототипу» (якщо точніше, то «прототипу після миття і чищення») – рукотворного артефакту, 39-міліметрового циліндра зі сплаву платини та іридію, який зберігається у французькому місті Севр.

Результати декількох міжнародних звірянь національних копій, виготовлених з того ж матеріалу, показали що їхні маси змінюються щодо головного еталона в діапазоні ±50 мікрограмів (±5×10⁻⁸) за 100 років.

Наскільки при цьому змінилася маса головного еталона — невідомо, оскільки його нема з чим порівнювати. Для багатьох типів вимірювань таке відхилення може призвести до недостовірних результатів.

У 2011 році Міжнародний комітет мір і ваг на XXIV Генеральній конференції погодився, що було би краще одиницю маси визначати через сталу Планка h — основну константу квантової теорії, коефіцієнт, що пов’язує величину енергії кванта електромагнітного випромінювання з частотою; тобто цифрове значення сталої зафіксувати (6.62607015×10⁻³⁴Дж⋅с) і надалі його використовувати для визначення кілограма через знамениту Айнштайнову формулу E=mc².

Прилад, за допомогою якого можна реалізувати новий еталон маси, називається Ватові терези (або ваги Кіббла). Назва походить від одиниці вимірювання потужності вата, оскільки вимірювана маса пропорційна потужності електричного струму, який компенсує вагу тіла; ідею такого вимірювання запропонував 1975 року британський науковець Б.П. Кіббл. У таких вагах еталоном виступає вантаж, який врівноважує силу відштовхування між постійним магнітом і котушкою, по якій пропускають струм. Таким чином, масу об’єкта можна знайти за рахунок рівності електричної і механічної сил. Константа Планка «ховається» в рівняннях, що описують роботу електричної частини установки. Власне цей прилад раніше використовувався для уточнення константи Планка, тепер він буде працювати «навпаки».

Отже, згідно з новим визначенням, кілограм є комбінацією трьох констант природи: сталої Планка, частоти випромінювання цезію-133 і швидкості світла у вакуумі.

Завдяки новому визначенню кілограма кожна країна зможе відтворювати еталонну установку самостійно в будь-який час, не вдаючись до звірки з головним еталоном.

Нинішнє рішення завершує реформу, що тривала кілька десятків років: ще в 1983 році метр був прив’язаний до значення швидкості світла у вакуумі (значення було зафіксовано як 299 792 458 м/c і, очевидно, припинено всі програми вимірювання швидкості світла у вакуумі, оскільки його значення стало відомим за визначенням). У 2005 році дослідники визначилися у виборі ще трьох констант для перевизначення інших одиниць. Постійна Планка була обрана як основа для визначення одиниці маси, кілограма, елементарний електричний заряд (заряд електрона) — одиниці сили струму, а постійна Больцмана — термодинамічної температури.

Аби завершити цей перехід, знадобилося кілька років, щоби з високою точністю виміряти константи.

Конференція також затвердила нове визначення ампера. Колишнє визначення, затверджене 1948 року, було засноване на вимірюванні сили, що діє на паралельні провідники зі струмом. Тепер вчені вирішили зафіксувати не тільки чисельне значення сталої Планка для кілограма, а й чисельне значення електричного заряду — для нового визначення ампера.

Одиниця температури — кельвін — до сьогоднішнього дня визначалася як ¹⁰⁰/₂₇₃₁₆ термодинамічної температури потрійної точки води. Це визначення мало свої незручності, оскільки у воді завжди є домішки важких ізотопів водню і кисню, які можуть значно зрушувати потрійну точку. Тому метрологам довелося створити окремий стандарт — Віденський стандарт усередненої океанської води. Її рецепт виглядає так: 0,00015576 моля дейтерію на моль звичайного водню; 0,0003799 моля ¹⁷O на моль ¹⁶O, і 0,0020052 моля ¹⁸O на моль ¹⁶O. Крім того, щоби визначати точні значення в інших діапазонах, вченим доводилося контролювати точки плавлення і кипіння кількох інших речовин. Нове визначення Кельвіна засноване на постійній Больцмана, яка тепер точно дорівнює 1,380649×10⁻²³ Дж/K (джоулів на кельвін).

Моль до цього часу був прив’язаний до кількості атомів у 0,012 кг стабільного вуглецю-12, тобто був пов’язаний з масою. У новій версії системи СІ він буде визначений через зафіксовану постійну Авогадро, тобто буде рівний 6,02214076×10²³ частинок.

Тобто, тепер (точніше з 20 травня 2019 року) основні одиниці системи СІ визначаються:

довжина: метр, що впроваджувався як ¹/₁₀₀₀₀₀₀₀ довжини меридіану від Північного полюса до екватора через Париж (виявилось, що це 0,99999995 нинішнього метра), дорівнює довжині шляху, який світло проходить у вакуумi за ¹/₂₉₉₇₉₂₄₅₈ секунди.

маса: кілограм, що впроваджувався як маса літра чистої води при температурі замерзання), визначається через сталу Планка h, яка точно дорівнює 6.62607015×10−34 Дж⋅с (Дж = кг⋅м2⋅с−2), та визначення метра і секунди.

час, секунда, що впроваджувалась як ¹/₈₆₄₀₀ доби (¹/₆₀ хвилини, що є ¹/₆₀ години, що є ¹/₂₄ доби), визначається як час, за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін.

сила електричного струму, ампер, що впроваджувався як десята частина електромагнітної одиниці струму в системі СГС — струму, що протікає в дузі довжиною 1 см кола радіусом 1 см, що створює в центрі поле 1 ерстед, визначається через заряд електрона, який приймається як 1.602176634×10⁻¹⁹ Кл (кулон, Кл=А⋅с)

термодинамічна температура: кельвін, що впроваджувався — яко температурний градус — як сота частина між температурою кипіння а температурою замерзання води, потім як ¹⁰⁰/₂₇₃₁₆ термодинамічної температури потрійної точки води, визначається через кілограм метр і секунду через точне значення сталої Больцмана, яка точно дорівнює 1,380649 × 10⁻²³ Дж/K.

кількість речовини: моль, що впроваджувалась як стехіометрична кількість, яка є еквівалентною масою в грамах числа Авогадро кількості молекул речовини, визначається через зафіксоване число Авогадро, рівне 6,02214076×10²³ моль⁻¹.

сила світла: кандела, що впроваджувалась з того, що ¹/₆₀ яскравості повного випромінювача (випромінювача Планка) при температурі тверднення платини на 1 см², визначається як сила світла у визначеному напрямку від джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540×1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку ¹/₆₈₃ ват на стерадіан.