Килограмм больше не кусок металла в подвале
До 2019 года в подвале под Парижем лежал цилиндр из платины и иридия — международный эталон килограмма. К нему ездили сверяться национальные копии. Была только одна проблема: эталон и его копии, сделанные из того же сплава и хранящиеся в тех же условиях, постепенно расходились по массе. На десятки микрограммов за сто лет. Мелочь, если вы покупаете картошку. Катастрофа, если вы физик.
Причина в том, что масса как понятие опиралась на предмет. А предмет можно поцарапать, помыть, потерять. В 2019 году Международное бюро мер и весов перешло на другое определение: килограмм теперь задаётся через постоянную Планка, а не через кусок металла.
Причём тут утюг и ампер
История началась не с массы. В 1975 году Брайан Киббл придумал прибор, чтобы точнее реализовать ампер — единицу тока. Прибор был механический: катушка в магнитном поле, ток, сила. Со временем выяснилось, что ту же схему можно вывернуть наизнанку.
После открытия квантового эффекта Холла в 1980-м и с учётом предсказанного ранее эффекта Джозефсона электрические величины в такой установке можно измерять через фундаментальные константы. А если зафиксировать численное значение постоянной Планка, то масса становится вычисляемой величиной, а не сравнением с эталоном.
В 2017 году прибор переименовали: ватт-весы стали весами Киббла, в честь изобретателя, который умер годом раньше. Об этом и о том, какую роль весы сыграли в переопределении массы, рассказывает обзор Шламмингера в Comptes Rendus Physique.
Как это работает без магии
Грубо: есть два режима измерения. В одном катушку двигают в магнитном поле и измеряют наведённое напряжение. В другом в катушку пускают ток и уравновешивают им груз. Если геометрия одна и та же, то произведение напряжения на ток связывает механическую мощность с электрической.
Дальше электрические величины выражаются через квантовые эффекты — Джозефсона и Холла, и в формулу входит постоянная Планка. Раз её значение зафиксировано решением, масса перестаёт быть «сколько-то эталонов» и становится результатом измерения. Килограмм можно воспроизвести в любой лаборатории с нужной установкой, а не получить копию из Парижа.
Что изменилось на практике
Для быта — ничего. Килограмм колбасы остался килограммом колбасы, расхождение в микрограммах никто не заметил.
Для метрологии — изменилась сама логика. Раньше цепочка точности шла от предмета к копиям и дальше. Теперь она идёт от константы, и её может воспроизвести любая страна с достаточной техникой. Это вопрос независимости: если эталон — предмет в одном городе, у остальных всегда есть зависимость.
Есть и цена. Весы Киббла — не ящик с гирями: это вакуумная камера, сверхпроводящие магниты, лазерные интерферометры. Установок в мире единицы, и каждая стоит как лабораторный корпус. Так что «килограмм у каждого» — красивая фраза, а не бытовая реальность.
Оговорки
Переопределение не улучшило точность мгновенно: на практике копии эталона ещё долго останутся рабочим инструментом, а весы Киббла нужны для поддержания самой единицы. И расхождения в десятки микрограммов для большинства задач несущественны — они важны там, где считают атомные массы и проверяют фундаментальные константы.
А вы знали, что эталон килограмма когда-то «худел» и «полнел» сам по себе? Напишите в комментариях, что вам кажется более надёжным — предмет или формула. Дальше разберу, почему пузырьки в бокале идут ровными цепочками. Если такие истории вам интересны, подписывайтесь на «Под лупой».
Источники: Schlamminger S. The Kibble balance and the kilogram. Comptes Rendus Physique 2019;20(1-2):55-63, DOI https://doi.org/10.1016/j.crhy.2018.11.006.