г. Москва, ул. Ленинская слобода, д. 19,
БЦ "Omega Plaza", 2-й эт., оф. № 2040

Килограмм теряет массу, меняя науку

  • 25.10.2013
Глубоко под Парижем есть хранилище, которое может быть открыто только одновременным поворотом трех ключей, которыми владеют три человека. В нем хранится международный прототип килограмма (МПК или эталон килограмма). Килограмм является последней единицей СИ, которая по-прежнему определяется физическим артефактом, а не природной константой, при этом четыре из семи единиц СИ определяются с помощью килограмма, что делает хранение международного прототипа чрезвычайно важной задачей. А еще ученых мужей очень беспокоит тот факт, что международный прототип теряет массу, изменяя науку. И никто не знает, почему это происходит.

МПК был создан из сплава платины (90%) и иридия (10%), что позволило обезопасить его от окисления и повысить прочность. Международный прототип представляет собой цилиндр, ширина и высота которого в связи с высокой плотностью платины составляют всего 39.17 мм. Ранее были созданы десятки копий МПК. Их передали другим государствам, чтобы как можно больше ученых имело доступ к эталону массы. Каждые 40 лет эти копии возвращаются в Париж и сравниваются с оригиналом МПК, что позволяет гарантировать единообразность эталонов килограмма. Самый первый МПК и еще 39 копий были созданы в 1889 году, и по неизвестной причине масса МПК сих пор непрерывно изменяется по сравнению с копиями.

2.jpg

График изменения массы международного прототипа килограмма и его копий

Самое странное в том, что ученым даже не известно, становится ли МПК легче, или же национальные прототипы становятся все тяжелее – но в любом случае, у всех этих флуктуаций массы (примерно на 50 мкг каждые 100 лет) должна быть причина. Происходящее является большой проблемой, поскольку при изменении МПК будут меняться значения четырех других связанных с ним единиц СИ, что приведет к пересмотру множества показателей в разрезе широкого спектра естественнонаучных дисциплин. Например, 1 ньютон определяется как сила, необходимая для ускорения одного килограмма на один метр в секунду в квадрате. Ньютон, в свою очередь, используется для определения паскаля, джоуль и ампера. То есть, если масса килограмма изменяется, значения этих и многих других показателей придется пересматривать.

Ученые сделали несколько предположений касательно причин возникновения этих несоответствий массы. Но все они недостаточно убедительны, и мы, по сути, до сих пор не знаем, почему подобное происходит. Вероятно, всему причиной микроскопические поверхностные эффекты, такие как поглощение водорода, или, возможно, ртути, источником которой являются ртутные инструменты в научных лабораториях, используемых во время контрольного взвешивания МПК и его копий. Некоторые ученые во всем винят изменения гравитационной постоянной или глобальное потепление. Поскольку флуктуации массы МПК имеют такие далеко идущие последствия, участники 24-й Генеральной конференции по мерам и весам согласились, что нам следует отказаться от физического определения килограмма, и перейти на использование для этой цели природной константы. Если конкретнее – постоянной Планка.

3.jpg

Инструмент NIST для переопределения килограмма с использованием постоянной Планка

Постоянная Планка описывает взаимосвязь между энергией частицы / волны (фотона) и частотой электромагнитного излучения, которое она испускает. Используя метр и секунду – две других единиц СИ, которые определяются природной константой, – ученые могут переопределить килограмм с помощью постоянной Планка. Единственная проблема заключается в том, что постоянная Планка изучена еще недостаточно полно, чтобы мы могли использовать ее в качестве основы для единицы СИ. Поэтому участники Генеральной конференции по мерам и весам решили повременить о переопределением килограмма, пока ученые не изучат постоянную Планка в достаточной степени.

Патрик Эббот из Национального института стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology; NIST) полагает, что он придумал надежный способ точного определения постоянной Планка. Используя очень сильный вакуум, что позволяет исключить возможность загрязнения или внешнего влияния на лазерную интерферометрическую измерительную систему, и инструмент под названием ватт-баланс, Эббот и его коллеги должны быть в состоянии переопределить килограмм с помощью постоянной Планка уже к 2018 году. И когда физический артефакт покинет парижское хранилище, мы сможем быть уверены, что единицы СИ, и, следовательно, вся наука в целом, не будут изменяться на наших глазах.
Поделиться с друзьями!

Подписка
Оставьте ваш e-mail, чтобы получать новости