С точностью до постоянной Планка

Требования к чистоте измерений с развитием технологий повышаются. Значение имеет каждый микрограмм лекарственного вещества в фармацевтике, доля миллиметра при хирургической операции, а детекторы гравитационных волн улавливают изменения расстояния в тысячу раз меньше радиуса протона. Неудивительно, что понадобились и более точные эталоны мер и весов.

Текст: Марина Полякова / Фото: bipm.org, NIST

Череда революций

Во времена Великой французской революции в Париже была принята новая система измерений — метрическая. В отличие от разнообразных лье, аршинов, золотников и прочего, метрическая система была основана на практически неизменных объектах, явлениях природы. Комиссия из видных французских ученых дала единицам вненациональные названия, которые мог бы потом использовать весь мир.
Базовыми единицами были сантиметр, грамм и секунда. Позже первые две заменили на метр и килограмм. В 1939 году добавился ампер, несколько лет спустя — кельвин и кандела, в 1971 году — моль. Через эти семь базовых величин определяются все остальные единицы — производные.
20 мая 1875 года представители 17 стран подписали Метрическую конвенцию, которая утвердила единую систему измерений. Помимо прочего, эта конвенция провозгласила создание Международного бюро мер и весов со штаб-квартирой во Франции. Именно там по сей день хранятся все эталоны. В 1960 году системе дали название Le Système International d’Unités, SI — Международная система единиц, СИ.

Все познается в сравнении

Физические эталоны метра и килограмма были изготовлены в 1799 году из чистой платины. Почти век спустя сделали новые — из сплава платины (90 %) и иридия (10 %) — и поместили их в Международное бюро мер и весов. Эталон метра имел поперечное сечение в виде буквы X, а килограмм — форму цилиндра.

Периодически копии сверяли с оригиналом. Благодаря поверкам метрологи обнаружили, что эталон килограмма стал легче, чем шесть его официальных копий, примерно на 50 мкг. Объяснялась потеря веса взаимодействием эталона с подставкой и пылью. Парадокс в том, что по определению его масса равнялась килограмму — больше не с чем было сравнивать. А если бы эталон похитили или уничтожили, это обернулось бы нешуточной проблемой для СИ.

Новый килограмм

На протяжении существования международной системы определения некоторых единиц менялись. К примеру, метр привязали к скорости света в вакууме, а секунда стала задаваться излучением 133-го изотопа цезия. Килограмм единственный зависел от материального эталона. И вот 16 ноября этого года Генеральная конференция по мерам и весам зафиксировала значение константы Планка — 6,626070040 × 10–34 Дж∙c. Через нее теперь будут определяться четыре единицы: ампер, кельвин, моль и килограмм. При создании нового эталона массы будут использовать весы Киббла. Это устройство определяет, какой ток нужен для того, чтобы с помощью электромагнитного поля уравновесить чашу с тестируемым эталоном. Благодаря новому определению любая страна сможет воспроизвести эталон без сверки с образцом в Бюро мер и весов во Франции.