Бессмертные эталоны СИ: как скорость света, заряд электрона и постоянная Планка заменили нам цилиндры из платины и иридия, рассказали учёные Южного федерального университета.
Сколько весит один килограмм? До недавнего времени ответ был прост — как платино-иридиевый цилиндр, хранящийся в Париже. Теперь ответ звучит иначе: как частота излучения, эквивалентная массе одного килограмма по формуле E=mc². Метр, секунда, ампер, кельвин — все они перестали быть «вещами» и стали константами.
Как человечество училось измерять мир и почему в 2019 году мы отрезали себя от материальных эталонов, рассказывает преподаватель кафедры общей физики ЮФУ Павел Коханов.
Международная система единиц (СИ) была принята в 1960 году, чтобы покончить с хаосом разрозненных мер. В её основе лежат семь основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. С 20 мая 2019 года все они определяются через фундаментальные физические константы — скорость света, постоянную Планка, заряд электрона и другие.
«Главное хранилище государственных эталонов России находится в Санкт-Петербурге и называется ВНИИМ имени Д.И. Менделеева (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы). В нем хранятся Государственные эталоны времени, частоты и национальной шкалы времени (ГЭТ 1-2022), метра (ГЭТ 2-2020), килограмма (ГЭТ 3-2019), ампера (ГЭТ 4-91), кельвина (ГЭТ 35-2021). Проверка эталонов осуществляется раз в 2-4 года», — рассказывает Павел Коханов.
Из основных единиц СИ, как из букв алфавита, складываются все остальные — производные. Эталонов у производных величин нет — их вводить нет смысла. Их точность полностью зависит от точности, с которой мы можем измерить основные единицы. Ньютон — это сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с². Джоуль — это работа, совершаемая силой в 1 ньютон при перемещении на 1 метр. Ватт — это мощность, при которой за 1 секунду совершается работа в 1 джоуль. Итак, достаточно узнать точные значения всего семи величин и вся физика во Вселенной станет как открытая книга.
Метр: путь от локтя до скорости света
До появления первых эталонов люди измеряли длину частями тела: локтями, футами, пядями. Но это было необъективно — у каждого свой палец, свой локоть, что создавало путаницу в торговле. Во время Великой французской революции в 1791 году Академия наук предложила универсальную единицу — метр, равный одной десятимиллионной части парижского меридиана. Для этого семь лет геодезисты Деламбр и Мешен измеряли дугу от Дюнкерка до Барселоны.
В 1875 году 17 стран подписали Метрическую конвенцию и создали Международное бюро мер и весов в Севре. Первый эталон метра был изготовлен из платины и служил с 1889 по 1960 год. Затем его переопределили через длину волны излучения криптона-86 — впервые единица перестала быть «вещью». А в 1983 году метр окончательно привязали к скорости света: теперь это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды.
«Метр сейчас привязан к одной из самых фундаментальных констант во Вселенной — скорости света в вакууме. Ученые отказались от материальных эталонов, чтобы привязаться к фундаментальным константам. Наглядность исчезла, т.к. теперь эталоны "осязать" невозможно. Изящность и сакральность определяются соответственно математическим аппаратом и "бессмертием" эталона», — рассказывает Павел Коханов.
Килограмм: смерть «священного цилиндра»
Массу тоже измеряли множеством локальных единиц — фунтами, пудами, унциями — пока в 1799 году килограмм не определили как массу одного кубического дециметра воды при 4°C. В 1889 году из платино-иридиевого сплава изготовили эталон — цилиндр высотой и диаметром около 39 миллиметров, который хранился в Севре. Его берегли как зеницу ока, но за сто лет он «похудел» на 50 микрограмм по сравнению с копиями — ничтожная, но катастрофическая для науки величина.
С 20 мая 2019 года килограмм больше не существует как вещь. Теперь он привязан к постоянной Планка через весы Киббла — прибор, который сравнивает механическую и электромагнитную мощности. Весы не взвешивают массу, а измеряют силу, необходимую для её удержания в магнитном поле. Масса стала вычисляемой, а не хранимой.
«1 кг — единица массы, при которой частота излучения, эквивалентная этой массе (по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc²), соответствует точному квантовому значению. На практике это реализуется через весы Киббла: они сравнивают механическую мощность (mgv) с электромагнитной (UI), где напряжение U и сила тока I уже привязаны к квантовым эффектам, v – скорость платформы при калибровке весов», — объясняет Павел Коханов.
Секунда: от маятника до атома цезия
Долгое время секунда была лишь долей минуты, которая, в свою очередь, была долей часа, а час — долей суток. Сутки определялись через вращение Земли. Но это было неточно: Земля вращается неравномерно. Требовался более стабильный стандарт. В 1956 году секунду переопределили через тропический год, но и это оказалось недостаточно точно.
В 1967 году на XIII Генеральной конференции по мерам и весам дали новое определение секунды, которое действует до сих пор. Атомные часы на цезии хранятся в национальных метрологических институтах по всему миру. В 2030 году планируется переопределить секунду через оптические часы, которые будут ещё точнее.
«1 с — единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при абсолютном нуле. Атомы переходят между энергетическими уровнями независимо от условий гравитации. Эта частота строго фиксирована законами квантовой физики. Переход в цезии-133 происходит на частоте ~9,2 ГГц. Это как раз тот диапазон микроволн, который отлично генерируется и легко обрабатывается электроникой. Лучшие цезиевые часы ошибаются на 1 секунду за 300 млн лет. Оптические часы на стронции (разработанные в NIST, США) ошибаются на 1 секунду за 15–30 миллиардов лет. Такая точность необходима во многих областях: навигация, поиск темной материи, объединение констант и т.д.», — рассказывает Павел Коханов.
Ампер: через заряд электрона
До появления ампера силу тока измеряли косвенными методами, используя химические эффекты (например, количество вещества, выделившегося при электролизе) или тепловое действие тока. Это было неудобно и неточно. Ампер был введён как единица силы тока в системе СИ. Его первоначальное определение было основано на силе взаимодействия двух бесконечно длинных параллельных проводников. Это было красивое теоретическое определение, но трудновоспроизводимое на практике.
В 2019 году ампер переопределили, привязав к элементарному заряду. Это сделало ампер абсолютно точным и воспроизводимым без громоздких установок. Теперь любой институт, имеющий достаточно точное оборудование, может воспроизвести ампер с высочайшей точностью.
«1 А — единица силы электрического тока, при которой через поперечное сечение проводника за 1 секунду проходят 1 / 1,602176634 × 10⁻¹⁹ элементарных зарядов. Элементарный заряд — это неделимая минимальная величина электрического заряда, равная по модулю заряду электрона (и протона). Величину элементарного заряда можно посчитать с помощью весов Киббла и через проводимость меди (квантовый эффект Холла)», — поясняет Павел Коханов.
Кельвин: температура как энергия
До появления термометров температуру оценивали по ощущениям. Первые термометры были созданы в XVII веке, но они не имели единой шкалы. Существовало множество шкал: шкала Фаренгейта (1724), шкала Реомюра (1730), шкала Цельсия (1742). Это создавало путаницу. Шкала Цельсия основана на точке замерзания (0°C) и точке кипения воды (100°C) при нормальном атмосферном давлении. Шкала Фаренгейта, которая до сих пор используется в США, основана на точке замерзания солёной воды (0°F) и температуре человеческого тела (96°F). Обе шкалы являются относительными и не имеют фундаментального физического смысла.
Кельвин был введён как единица термодинамической температуры в системе СИ. Его назвали в честь лорда Кельвина (Уильяма Томсона), который внёс большой вклад в термодинамику. Кельвин является абсолютной шкалой: 0 К — это абсолютный нуль, температура, при которой прекращается тепловое движение частиц.
До 2019 года кельвин был привязан к тройной точке воды. С 2019 года определение изменилось: теперь кельвин больше не зависит от свойств конкретного вещества. Температура стала величиной, которую можно вычислять из первых принципов.
«1 К — единица термодинамической температуры, при котором тепловая энергия возрастает на 1,380649 × 10⁻²³ джоулей. Теперь абсолютная температура — это энергия, деленная на постоянную Больцмана», — объясняет Павел Коханов.
Моль: количество вещества
До появления моля количество вещества измеряли в единицах массы (граммы, килограммы) или объёма (литры). Однако это было неудобно для химических реакций, где важны соотношения между молекулами, а не массы. Моль был введён как единица количества вещества в системе СИ. Первоначально он был определён через массу углерода-12, что было удобно, но зависело от конкретного изотопа.
«1 моль — единица количества вещества системы, содержащей ровно 6,02214076 × 10²³ (число Авогадро) структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц). С молями работают в химической промышленности, физике полупроводников и т.д.», — рассказывает Павел Коханов.
Кандела: сила света
До появления канделы силу света измеряли в «свечах» — по пламени стеариновой свечи. Это было неточно, так как пламя разной свечи отличается. Кандела (от латинского candela — свеча) была введена как единица силы света в системе СИ. Её первоначальное определение было основано на излучении абсолютно чёрного тела при температуре затвердевания платины. Это было более точно, но всё ещё зависело от конкретного вещества.
В 2019 году канделу переопределили, привязав к фиксированному значению световой эффективности монохроматического излучения. С канделами мы встречаемся каждый раз, когда выбираем лампочку в магазине — чем больше кандел, тем ярче свет.
«1 кандела — единица силы света в заданном направлении от источника, излучающего монохроматическое излучение частотой 540 × 10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 ватта на стерадиан. С канделами встречаются в любых осветительных приборах», — поясняет Павел Коханов.
Прислала ведущий специалист Центра общественных коммуникаций ЮФУ Ольга Молоткова
Фото сгенерировано ИИ
Подготовила
____________________
Нашли ошибку или опечатку в тексте выше? Выделите слово или фразу с ошибкой и нажмите Shift + Enter или сюда.
Ночью враг атаковал Ростов-на-Дону
