Учені можуть дати нове визначення кілограму і, нарешті, відмовитися від визначення його за фізичним об’єктом – кілограмом із іридію і платини під назвою Міжнародний прототип кілограма. Стаття на The Verge детально пояснює, навіщо це потрібно.
Кілограм
Будь-яке вимірювання ваги у вашому житті – від погляду на підлогові ваги до зважування порції борошна – сягає корінням до одного предмета: металевого кілограма, зробленого з платини й іридію, який спочиває під замком у підземному сховищі в Парижі. Він називається Міжнародний прототип кілограма (International Prototype Kilogram або IPK), і з моменту створення він був стандартом, за яким міряється вага в усьому світі. Але йому недовго залишилося ним бути.
Копії IPK знаходяться по всьому світу, деякі країни створюють власні прототипи міри ваги, якнайближчі до оригіналу. Вони використовуються для калібрування вагів у всіх сферах життя – в лабораторіях і на заводах, на ринках і в булочних. Навіть у США, де використовуються фунти й унції, все калібрується за допомогою IPK, як і в метричній системі.
Сьогодні в міжнародному міністерстві ваг планується переворот. Після служіння світовим стандартом протягом 129 років IPK, або ж Le Grand K, буде повалений. Експерти з Міжнародного бюро мір і ваг, яке займається метричною системою, зберуться у Версалі і проголосують за те, щоб замінити фізичний артефакт визначенням кілограма, що базується на фундаментальній константі природи.
Цей перехід пройде не поміченим ніким, крім учених із просунутих фізичних лабораторій, але для посвячених – це знакова подія. «Це – комета Галлея в сфері метрології. Дуже рідко трапляються перегляди визначення такого масштабу», – каже Стефан Шлеммінгер, фізик з Національного інституту стандартів і технологій США (він працював над підготовкою майбутньої зміни й над обладнанням для неї).
Це – науковий еквівалент випадку, коли Індіана Джонс підмінив золотого ідола мішком піску. Після перегляду кілограм залишиться кілограмом, але його значення буде ґрунтуватися на значно дивнішій підставі.
Історія констант
Завдання визначення одиниць вимірювання через константи йде корінням у створення метричної системи за часів французької революції XVIII століття. У той час ідеологія свободи, рівності і братерства приймалася не тільки революціонерами, а й вченими. Метрична система створювалася з метою звільнити чоловіків і жінок від неупорядкованих і незрозумілих одиниць вимірювання старого режиму. Це був утопічний проект, чиї творці вірили, що нова система об’єднає світ, дасть можливість вільно обмінюватися товарами та інформацією.
Щоб гарантувати зрозумілість нових одиниць вимірювання для всіх, потрібно було скласти нові визначення. Одна з одиниць виміру, які використовувалися в той час у Франції, називалася pied du Roi – «королівська нога». З назви зрозуміло її походження, а також – належність до ієрархічної соціальної системи. Революціонери хотіли повалити цю систему, а це означало, в тому числі, визначити одиниці вимірювання такими експериментами, які кожен міг би повторити.
Так що спочатку кілограм визначався як маса кубічного дециметра води, де дециметр – це одна десята метра, а метр в свою чергу визначався як частка дистанції між Північним полюсом і екватором. Цю уявну лінію вимірювали вручну, дюйм за дюймом, протягом семирічної подорожі по континенту Європи. У 1798 році метр офіційно було визначено, як 1/10 000 000 половини земного меридіана. Якщо якась із країн хотіла створити власний еталон метра, теоретично вона могла сама його переміряти.
«Це визначення вводилися під час, коли революціонери хотіли створити одиниці виміру для всіх людей», – каже доктор Мартін Мільтон, директор Міжнародного бюро мір і ваг (BIPM).
Протягом наступного століття метричну систему переймали все більше країн, до неї додавалися нові одиниці, і вчені занепокоїлися тим, що поточних підстав для них може бути вже недостатньо. Фізик Джеймс Максвелл окреслив ці страхи в 1870 році, попереджаючи колег, що “Земля може зменшитися через охолодження, або ж вирости через шар метеоритів“, який змінить її форму і відповідно – довжину метра.
Це попередження може звучати абсурдно, але тривожні думки Максвелла відображають фундаментальну значимість метрології.
Єдині одиниці виміру лежать в основі наукового методу. Без них не можна достовірно повторювати експерименти, а результати їх стають ненадійними, як і ваше розуміння світу. Як колись сказав британський вчений, лорд Кельвін, в честь якого названа одиниця вимірювання температури: «Якщо ви можете виміряти те, про що говорите, і виразити це в числах, ви вже щось про нього знаєте». Якщо не можете – не знаєте.
Рішення? Як тваринам, що рятуються від води, метрологам варто шукати височини – більш загальну точку відліку, епістемологічно висловлюючись. Замість того, щоб використовувати Землю як цю точку, вони вирішили звернутися до фізичних констант, незмінних по цілому світові.
Метр першим перерахували за допомогою констант. У 1960 році його виміряли за допомогою довжини світлової хвилі, а потім, в 1983 році, на 17-х зборах BIPM метр отримав своє поточне визначення – «довжина відрізка, який проходить світло у вакуумі за годинний інтервал в 1/299 792 458 секунди» .
За останні десятиліття шість або сім одиниць метричної системи, включаючи секунду, ампер, Кельвін, моль – пройшли подібні ж трансформації. Зараз же залишився кілограм, який все ще залежить від фізичного артефакту. І метрологи хочуть позбутися цієї залежності, адже фізичні об’єкти змінюються, на відміну від фізичних констант.
Еталон кілограма «скинув вагу» з моменту створення
Цю тезу підтвердив і сам Le Grand K. Незважаючи на те, що він створений із найбільш стабільного з відомих сплавів, і з ним обходяться вкрай обережно – він укладений в потрійну оболонку, запечатану вакуумом, еталон «втрачає вагу».
Під час церемоніального зважування зразка кожні кілька десятків років, коли копії IPK прилітають в Париж з усього світу і порівнюються зі своїм предком, еталон втратив приблизно 50 мікрограм маси (приблизно стільки важить одна вія). Звичайно, оскільки IPK і є визначенням кілограма, технічно він не може втрачати чи набирати масу. Точніше сказати, що весь інший світ став трішки важчим.
Причина для цього невідома, за однією з теорій, за всі ці роки могли допускатися помилки в догляді за IPK або в вимірах. Директор бюро вказує на те, що маса IPK змінювалася між 1940-ми і 1990-ми, але з того часу – ні. За останні 30 років всі виміри добре контролювалися.
Ці зміни жодним чином не підривають законності міжнародної метричної системи, але вони вносять певний розлад у уявлення про її непогрішності. З сьогоднішнього дня ера фізичних артефактів для одиниць виміру – і їх недосконалостей, закінчиться назавжди.
Як будуть визначати кілограм?
Перевизначення кілограма за допомогою універсальних констант – довгий процес, у якому брали участь дослідні лабораторії з усього світу. У ньому використовувалися результати двох досліджень з квантової фізики, які отримали Нобелівської премії.
У результаті вийшов пристрій під назвою «ваги Киббла», названий на честь британського фізика і новатора-метролога Брайана Пітера Киббла. Він в основі своїй схожий на звичайні ваги. Але якщо на звичайних вагах зважуються і порівнюються два вантажі, тут використовується дія електромагнітного поля, яке можна заміряти надзвичайно точно. Вони працюють так: на одній чаші встановлюється вантаж, масу якого потрібно заміряти, замість другої чаші використовують котушку в магнітному полі, яка врівноважує ваги за рахунок сили Ампера. За допомогою таких ваг можна дати нове визначення для кілограма через постійну Планка.
Якщо зараз на «Вікіпедії» кілограм визначається як вага еталона в Парижі, то після нововведення буде визначатися через постійну Планка, значення якої уточнили до 6,62607015 × 10-34 Дж⋅с (Дж = кг⋅м2⋅с-2), а також визначення метра і секунди.
Тільки дві лабораторії у світі змогли створити «ваги Киббла» досить точно, щоб цього вистачило для нового визначення кілограма. Одна знаходиться в Національному дослідницькому раді в Канаді, друга – в NIST, у США. Це – настільки чутливі пристрої, що їх можна утримувати тільки в запечатаних приміщеннях із вакуумом. Вченим навіть доводиться заміряти місцеве гравітаційне поле на предмет варіацій, перш ніж починати роботу з ними. Для єдиного виміру доводиться одночасно враховувати безліч змінних, і в цілому весь процес, за словами вчених, нагадує те, як Одіссей пускав стрілу з лука через десяток отворів.
Саме вимірювання не відбудуться до травня наступного року, однак на конференції цього тижня відбудеться офіційна церемонія. Ця зміна торкнеться не тільки вимірів маси, адже інші метричні одиниці теж використовують поточне визначення кілограма. Зміниться визначення для кілограма, ампера, Кельвіна і моля.
Перекладено на основі ain.ua
