Ученые отказались от материального эталона килограмма

20 мая вступили в силу новые определения четырех основных единиц международной  системы физических величин  СИ (фр. Le Système International d’Unités, SI): килограмма, ампера, кельвина и моля. Человечество полностью отказалось от привязки к материальному эталону килограмма — цилиндрической гирьке, которая хранится в Международном бюро мер и весов под Парижем. Решение об этом было принято еще в конце 2018 года.

На уровне измерений в быту, с которым люди обычно сталкиваются, эти изменения останутся практически  незаметными. Новые определения специально выбирали так, чтобы они были как можно более незаметны для широких кругов. Килограммовая гиря на базаре — она останется килограммовой. Как и практически все, с чем люди сталкиваются вокруг. За некоторыми редкими исключениями, которые связаны преимущественно с высокими технологиями. Может возникнуть логичный вопрос «Зачем же это делать, если все будет незаметно?»

До 20 мая была одна единица измерения, которая привязана к некоему физическому объекту — к артефакту, как это называют метрологи. К той самой килограммовой гирьке из платино-иридиевого сплава, который хранится во Франции в Севре, в Международном бюро мер и весов, чьи официальные копии хранятся по всему миру.

Для торговли, для бытовых нужд точности этой гирьки было вполне достаточно. Но в физике, в высоких технологиях уже возникли области, в которых точность измерения ограничена уже не измерительным прибором, а определением того, что такое килограмм. Несовершенство процедуры взвешивания гирьки, которая была изготовлена в 1889 году, стало влиять на точность измерений. Поэтому вот эта платиново-иридиевая гирька — она в каком-то смысле стала гирей на ногах у высоких технологий и физики.

Работа над тем, чтобы избавиться от гирьки образца 1889 года, шла давно. Можно  даже сказать, что с самого начала, как эту гирьку изготовили, предполагалось, что рано или поздно от нее откажутся. Потому что с самого начала идеология системы СИ предполагала, что привязка будет единиц измерения к каким-то природным константам. В конце XVIII века, когда системы СИ еще не было, но в революционной Франции создавалась метрическая система, пытались привязать метр к длине парижского меридиана, а килограмм — к массе литра воды. Очень скоро выяснилось, что меридиан и литр померили не совсем точно. Чем все это перемерять, проще принять, что килограммовая гирька и метровая линейка — они и есть определение этих единиц. Это было из-за сложностей с подбором подходящих фундаментальных констант, их измерений.

Как теперь будут рассчитывать килограмм?

Для воспроизведения килограмма были изобретены и построены специальные весы Киббла. Принцип очень простой. Вес грузика уравновешивается с притяжением электромагнитов друг к другу. Сложность была в том, чтобы с помощью вот такого устройства обеспечить достаточную точность.

Сейчас, 20 мая 2019 года, в некотором смысле сбывается вековая мечта физиков: они получают систему единиц, которая не зависит от каких-то артефактов. И если весы Киббла будут уничтожены, то мы можем построить новые. А если бы была уничтожена вот та самая платино-иридиевая гирька, то возникла бы проблема. Как выразился физик Штефан Шламмингер из Национального института стандартов и технологий США, наконец-то мы избавились от этого эталона, а то если бы установили контакт с инопланетянами, было бы перед ними неудобно, что мы определяем килограмм таким примитивным образом.

Теперь для всех основных единиц измерения есть приборы, которые любая технически развитая страна может построить и самостоятельно эти единицы измерения воспроизвести. Если мы вдруг познакомимся с инопланетянами, то мы можем по радио передать информацию о том, какие у нас единицы измерения, и они поймут. Кстати, предыдущее уточнение определения килограмма состояло в том, что ту самую гирьку 1889 года перед сличением следует помыть по некоторой строго описанной процедуре.

Что же получается, если есть достаточно денег и времени, любой может создать такие весы и определять килограмм с максимальной точностью? Со временем, наверное, эти установки и в коммерческой продаже появятся. Но пока, по всей видимости, это штучные изделия. Для нужд метрологии штучных изделий достаточно. Есть первичные эталоны — это самые-самые точные. На основе первичных эталонов изготавливают вторичные, ну и так далее — целая пирамида эталонов со все снижающейся и снижающейся точностью. Начиная, так сказать, от весов Киббла и заканчивая килограммовой гирькой на базаре.

Новые определения килограмма и других единиц измерения будут дорабатываться в будущем, скорее всего, скорее всего, будут дорабатываться. Но в ближайшее десятилетие вряд ли  доработки могут быть существенными. После привязки к фундаментальным константам, в принципе, теперь точность можно наращивать неограниченно.

А Парижскую гирю с почетом поместят в музей. Как ранее поместили туда платино-иридиевый эталон метра. Гиря — это важная веха в развитии науки и техники. В конце XVIII века были наивные представления, что один раз мы измерили меридиан и килограмм, изготовили линейку и гирьку, после чего положили их в красивые футляры, сдали в национальный архив и все — задача решена.

Оказалось, что задача этим далеко не исчерпывается, что должна быть постоянно работающая метрологическая служба, которая занимается поддержанием первичных эталонов, которая организует поверку эталонов следующих уровней точности. Например, в России реорганизацию метрологической службы для перехода на метрическую систему провел Дмитрий Менделеев, которого широкая общественность знает только как химика.

А в XX веке возникла физика, которая позволяет нам сейчас отвязаться от артефактов — теперь и ампер, и килограмм основаны на квантовой теории (рождение квантовой теории принято относить к периоду 1901-1925 годов). И на основе квантовой теории мы можем с гораздо большей точностью эти единицы воспроизвести.

Есть разные спекуляции на тему того, могут ли фундаментальные константы меняться со временем. Но есть эксперименты, а главное — астрономические наблюдения. Когда мы наблюдаем далекие звезды и галактики, мы смотрим в далекое прошлое нашей Вселенной. Мы можем попытаться по таким удаленным объектам оценить, изменились ли за это время фундаментальные константы. По имеющимся данным изменений фундаментальных констант не обнаружено.

Заслуженные платино-иридиевые гирьки никто не собирается утилизировать. Они будут лежать на почетном месте в музеях. Если понадобится, к ним можно будет снова обратиться.