Новый эталон килограмма: Что это такое и почему важно?
С 20 мая 2019 года ученые заменили эталон килограмма и больше не будут измерять массу с помощью физического предмета. Теперь единица массы определяется с помощью постоянной Планка. И хотя на повседневной жизни большинства людей это никак не отразится, для научного мира и промышленности, где требуются предельно точные измерения, такой шаг имеет большое значение.
Экскурс в историю
Килограмм - это единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Такое определение утвердила Генеральная конференция по мерам и весам в 1901 году. Однако история килограмма началась намного раньше.
Килограмм как единицу измерения массы предложили после Великой французской революции (1789-1799) с целью упорядочить систему единиц с применением десятичной системы. 7 апреля 1795 появилась новая единица - грамм (абсолютный вес объема воды, равный кубу одной сотой части метра при температуре плавления льда).
Учитывая то, что эталон в виде определенного количества воды был ненадежным, возникла проблема его практической реализации. В результате был изготовлен временный металлический эталон весом в 1000 граммов.
Позже французский химик Луи Лефевр-Жино и итальянский натуралист Джованни Фабброни пришли к выводу, что самое точное определение массы будет не при температуре плавления льда (ноль градусов по Цельсию), а при температуре, когда плотность воды самая высока (+4 градуса по Цельсию). 1799 года был изготовлен платиновый эталон, масса которого соответствовала массе литра воды при температуре +4 градуса. Этот килограмм получил название килограмма архива и служил эталоном в течение следующих 90 лет.
Международный прототип
В 1875 году 17 стран мира подписали Метрическую конвенцию, которая дала старт созданию международной системы единиц. После чего был изготовлен новый Международный прототип килограмма.
Международный прототип - это четырехсантиметровый цилиндр, который состоит на 90% из платины и на 10% из иридия. Он был произведен в Лондоне. В 1889 году прототип был утвержден Генеральной конференцией мер и весов и сейчас хранится в Международном бюро мер и весов под Парижем.
Кроме собственно прототипа, во Франции хранятся еще шесть его копий, а также еще десять рабочих копий для обычной калибровки и две для специального использования. Более ста прототипов этого эталона также хранятся в других странах как национальные прототипы.
Новый эталон
До настоящего момента килограмм являлся последним эталоном, который был привязан к материальному носителю. Но физические объекты, даже находясь в стерильных условиях, могут терять атомы (фактически испаряться) или, напротив, впитывать молекулы из окружающего воздуха. Кроме этого, идеально точный килограммовый цилиндр все равно припадает пылью и грязью. А при чистке цилиндра частицы сплава стираются, и эталонный килограмм теряет свой вес. Отмечается, что за прошедшее столетие масса эталона изменилась на несколько десятков микрограммов.
Для создания нового эталона массы теперь применяются "весы Ватта" или как их называют, "баланс Киббла", которые определяют массу через постоянную Планка - основную константу квантовой теории.
Теперь определение килограмма связано с количеством электромагнитной энергии, которая нужна для того, чтобы уравновесить объект определенной массы. Эталонную гирю заменят электрический ток и напряжение.
Значение
Преимуществом нового эталона является то, что "весы Ватта" всегда можно изготовить заново и провести необходимые вычисления. Это означает, что теперь точно отмерять килограмм смогут ученые по всему миру, а не только те, у кого есть доступ к оригинальной гире или ее копиям. Ко всему прочему, материальный эталон может быть уничтожен или утерян, а его масса, как сообщалось, не остается постоянной.
На повседневной жизни большинства людей замена эталона килограмма никак не отразится, но ученые утверждают, что для науки это поворотный момент в истории физики.
Глава британской Национальной физической лаборатории Теодор Йанссен отмечает, что "теперь все единицы системы СИ будут основаны на фундаментальных константах природы - вечных, неизменных величинах. Это позволит проводить куда более точные измерения и укрепит основы науки в целом".
