ЭТАЛОННЫЕ  СТРАДАНИЯ

 

Всего один предмет во Вселенной имеет массу ровно в один килограмм, что очень раздражает ученых.

В глубоком подземном бункер близ Парижа лежит небольшой блестящий цилиндр из драгоценного металла высотой всего 40 мм. Раз в год трое уполномоченных «жрецов» одновременно поворачивают ключи и открывают заветную дверь. Цель одна: проверить, на месте ли цилиндр. Удостоверившись, что всё в порядке, они прощаются с местным персоналом и торжественно уходят. Роберт Мэтьюз размышляет, сколько ещё наука будет соблюдать столь потешный ритуал.

Небольшой цилиндр, хранящийся в Международном бюро мер и ве­сов  (МБМВ)  во  французском Севре, абсолютно и безусловно уникален - весит ровно один ки­лограмм. Именно по этой причине множест­во ученых во всем мире очень хотели бы от него избавиться. Во-первых, иметь один-единственный эталон - большая ответствен­ность. А во-вторых, неудобство. Если вам нужно узнать, сколько весит другой один ки­лограмм, придется ехать в Севр, проверять, что цилиндр на месте. Спору нет, во многих лабораториях имеются копии. Но оригинал-то они заменить не могут...

 

http://biohacker.narod.ru/etalon.html

 

ОДИН НА ВСЕХ И ВСЕ НА ОДНОГО

Однако больше всего ученых мужей раз­дражает тот факт, что этот блестящий цилиндр стал для них камнем на шее. В конце концов, они уже решают фундаментальные вопросы Вселенной, используют необычайно совер­шенные приборы. И собирают данные умопомрачительной точности, выраженные в исклю­чительно надежных единицах измерения. А те, в свою очередь, привязаны к основополагаю­щим константам. Например, одна секунда есть длительность 9 192 631 770 периодов одного из видов излучений атомов цезия-133. Ни на йоту не больше и не меньше. Так же эле­гантно, на базе фундаментальной физики, выведены другие основные единицы измерения - метр и ампер (см. «Будем мерить»).

Килограмм - единственное вопиющее исключение. Но, несмотря на многолетние поиски альтернативы - точного определения единицы массы, самого главного и привыч­ного свойства вещества, - никто не сумел предложить ничего более фундаментального, чем кусок металла, запертый в сейфе в городе Севр. Его изготовили еще в 1889 году из сплава, состоящего из 90 процентов платины и 10 процентов иридия. Выглядит эталон вполне привлекательно. Но ученые считают, что он давно стал позором для науки.

В этом году специалисты по метрологии, науки об измерениях, соберутся в штабе квартире МБМВ, чтобы поделиться своими успехами в борьбе с металлическим эталоном. «В определенном смысле ситуация какая-то постыдная, - признает Стюарт Дэвидсон из британской Национальной физической лаборатории (National Physical Laboratory), которой принадлежат три из примерно 80 копий французского эталона. - Лучше это была бы блестящая коробоч­ка, в которой летают лазерные лучи».

Вместе со своими коллегами-метроло­гами во всем мире Дэвидсон пытается за­менить свой дубликат чем-то более заслу­живающим доверия. Изготовители копий, конечно, старались максимально прибли­зить свои изделия к оригиналу. И в среднем погрешность по сравнению с Севрским эталоном составляет не более 10 частей на миллиард. Но беда в том, что параметры дубликатов меняются. Один раз в несколько десятилетий их надо привозить в МБМВ и сличать с настоящим килограммом. Хотя почему масса копий становится другой, до конца неясно.

 

КИЛОГРАММ НАБИРАЕТ ВЕС

Последнее взвешивание проводили в 1980-е годы. Даже после тщательной очи­стки поверхности некоторые дубликаты по сравнению с предыдущей проверкой в 1940-е годы самым таинственным обра­зом прибавили относительно оригинала бо­лее 20 микрограммов, или 20 частей на миллиард. «Вся проблема в том, что они набирают вес вопреки традиционным пред­ставлениям», — говорит Дэвидсон. У каждой лаборатории, конечно, есть своя собствен­ная модель, описывающая изменение мас­сы во времени, однако причины этого про­цесса неясны.

Изменение массы ставит на повестку и другой, более глубинный вопрос - о самом международном прототипе. Он изготовлен из такого же сплава, что и копии, да и хранит­ся в аналогичных условиях. Значит, со време­нем его масса также может стать другой. И все же по определению его масса всегда равна одному килограмму, то есть всегда одинакова. В этом и парадокс. А в отсутствие независимого определения массы есть толь­ко один способ разрешить этот конфликт - взвалить всю вину на дубликаты, которые хранятся в других местах.

Ерунда какая-то, говорит Дэвидсон. Но найти альтернативный метод никто не мо­жет. Придумать способ определения одного килограмма легко. Гораздо труднее осущест­вить его на практике и получить точность на уровне частей на миллиард, да еще в лю­бом месте и в любое время.

Первый способ, известный как проект Авогадро, ученые разрабатывают уже лет трид­цать. Сама по себе идея незамысловата: опре­делить килограмм в виде фиксированного количества наиболее привычных нам кирпи­чиков мироздания, то есть атомов. Химики по­стоянно измеряют вещества в молях, которые содержат фиксированное количество атомов. Это фундаментальная константа, известная как число Авогадро, равная примерно 600 000 миллиардам миллиардов. Значит, теоретиче­ски килограмм определить можно, собрав во­едино определенное количество достаточно стабильного вещества, атомы которого в сумме дадут один килограмм. Когда вещество и его количество будут найдены, идеальный кило­грамм станет доступен любому желающему. А блестящие цилиндры переедут в музей.

Однако, поясняет Дэвидсон, вся за­гвоздка в деталях. Если проекту Авогадро суждено заменить кусок металла, то число атомов нужно определять точнее несколь­ких десятых частей на миллиард. Ведущие метрологические лаборатории мира бьют­ся над этим более двадцати лет, а конца их мучениям не видно.

 

ШАРОМ ПОКАТИ

Сначала все выглядело просто. Материал выбрали с ходу. Явным фаворитом был кремний, поскольку производители микро­чипов за счет огромных капиталовложений получили просто идеальные кристаллы этого минерала. Зная расстояние между его атома­ми, можно точно рассчитать необходимый объем кремния. В качестве формы для стан­дартного объема идеальной представляется сфера. Ее поверхность можно отшлифовать до чистоты атомного уровня, придать точный радиус и объем.

Образцы кремниевых шаров, необходи­мые для эталона килограмма, были изготов­лены в Германской лаборатории стандартов (Physikalish-Technische Bundesanstalt - РТВ) в Брауншвейге. А потом их превратил в са­мые круглые в мире предметы Майкл Кении с коллегами в австралийской Научно-про­мышленной исследовательской организации Британского содружества в Линфилде, штат Новый Южный Уэльс. В результате шлифовки высота самой большой неровности на сфере составила 500 атомов. Применительно к по­верхности Земли это сопоставимо с тем, что самая высокая гора была срезана до десяти­метровой высоты.

Вот тут и начались проблемы. Казалось бы, что лучше кремния не изучен ни один в мире кристалл. А он вдруг подложил уче­ным свинью. В середине 1990-х годов спе­циалисты из Германии, Италии и Японии собрались, чтобы сравнить свои подсчеты количества атомов в кремниевых образцах. И, к своему ужасу, обнаружили, что в японском не хватает несколько тысяч мил­лиардов атомов. Заглянув внутрь кремния при помощи рентгеновского аппарата, Ри­чард Деслаттес из Национального института стандартов и технологии в Гейтерсберге, штат Мэриленд, нашел ошибку. Якобы «идеальный» кристалл кремния был ис­пещрен микрометровыми пустотами, вероятно, образованными пузырьками водоро­да в процессе изготовления сфер. Их присутствие до крайности опорочило кандидатуру кремния на звание эталонного килограмма.

Кроме того, оказалось, что непорочная поверхность притягивает атомы оксида и различных загрязняющих веществ. А это влияет на массу и размеры сферы.

Метрологи гордятся своим умением из­мерить все на свете, кроме бесконечно малых величин, однако проект Авогадро стал для них камнем преткновения. Стандартные методы измерения, например оптическая интерферометрия, дают точность до не­скольких тысяч атомных диаметров. А в ин­тересах проекта размеры сферы нужно оп­ределить в несколько тысяч раз точнее. Для этого необходимы сверхстабильный лазер­ный луч и исключительная тщательность. На результаты измерений будут влиять даже погодные колебания. Атмосферное давление воздействует на коэффициент прелом­ления воздуха, через который проходит луч лазера. Так что замеры надо производить в вакууме. Если же во время измерений температура отклонится на несколько ты­сячных градуса по шкале Кельвина, измене­ния в диаметре сферы превысят погреш­ность, допустимую для использования сферы в качестве надежного эталона.

В итоге мы имеем метрологический кош­мар. Правда, прогресс есть. «Сейчас относи­тельная погрешность составляет порядка 150 частей на миллиард», - рассказывает Кении. Теперь ее нужно снизить до примерно 20 частей. «Это реально, но отнюдь не про­сто, - продолжает ученый. - Уйдут годы и миллионы долларов».

 

БУДЬ ПОПРОЩЕ

В результате даже сторонники проекта Авогадро подумывают о более простом ме­тоде. Терри Куинн, директор МБМВ и храни­тель севрского килограмма, разделяет мне­ние многих метрологов, считающих, что для поисков замены блестящему цилиндру надо избрать совершенно другой подход — «компарирование Ватта».

Базовая идея была предложена более 20 лет назад Брайаном Кибблом из Нацио­нальной физической лаборатории. И заклю­чается она в том, чтобы определить кило­грамм в выражении двух параметров, которые человек умеет измерять с высочай­шей точностью, - электрического напряжения и сопротивления. По сути «компарирование Ватта» — это чрезвычайно чувствительная сис­тема весов, на одной чаше которых лежит ки­лограмм, а другую притягивает электромаг­нитное поле. А определяться килограмм будет через измерение электромагнитной силы, не­обходимой для удерживания одного кило­грамма.

Но и тут не все гладко. На практике измере­ние напряженности поля являет собой мудре­ный процесс, требующий для точности самых современных квантовых устройств. В итоге мы получим определение килограмма в виде по­стоянной Планка, которая увязывает электрические свойства весов с квантовыми процесса­ми, используемыми для их измерения.

Более того, все измерения нужно прово­дить в полном вакууме, в отсутствие внешних воздействий, например притяжения Луны. Европейские и американские лаборатории бьются над весами Ватта уже десять лет. А для замены севрского килограмма уровень их точности все еще уступает потребному в де­сять раз. «Чтобы выйти на него, потребуются еще лет десять», — говорит Куинн.

Хотя весы Ватта и остаются главным кон­курентом на звание нового эталона, мало кто считает их верхом совершенства. Куинн сету­ет, что атомы имеют слишком малый размер. Будь они покрупнее, для формирования од­ного килограмма не надо было бы собирать их такое большое количество. Похоже, что предложение о пересчете атомов теряет смысл. Или не так?

 

А НЕ НАСЫПАТЬ ЛИ АТОМОВ В СТАКАН?

В начале 1990-х годов Михаэль Глезер из германской лаборатории РТВ выдвинул ошеломляюще простую идею: создать по­ток атомов, собрать их в поставленную на весы емкость и посмотреть, сколько времени уйдет на то, чтобы получить один килограмм.

Оригинальное предложение Глезера за­ключалось в том, чтобы пропустить ионы не­коего элемента, например золота, через сис­тему магнитов. Получится плотный пучок заряженных частиц, то есть электрический ток. А потом надо будет просто считать ионы, переместившиеся в определенный период времени. Например, если сила тока равна 10 мА, за один час в потоке будет примерно 200 миллиардов однозарядных ионов. Что­бы собрать 10 граммов ионов золота, при та­кой скорости потока потребуется 10 суток. Вполне достаточно для формирования базы стандарта массы.

Сейчас Глезер с коллегами пробует реали­зовать идею на практике. Основная проблема на данный момент - создание достаточно сильного тока. «Мы начали с ионов золота, однако ток у нас на уровне микроампер», - рассказывает Глезер. Теперь он планирует за­менить золото на висмут, который легче испа­ряется, если его нагреть для создания тока большей силы. Еще предстоит придумать, как замедлить ионы на подходе к коллектору. Чтобы они не отскакивали, как футбольные мячи. Дело непростое, но вполне реальное. И с изящностью здесь все в порядке.

А нельзя ли определить килограмм еще изящнее? Дэвидсон из Национальной физи­ческой лаборатории считает, что можно. «В идеале все должно быть, как с метром и секундой, — говорит ученый. - Не исклю­чено, что мы зря ищем ответ в высоких техно­логиях. Могут быть вещи, которых мы просто не заметили». Подобной горькой иронией пропитана и заключительная фраза описания наиболее острых метрологических проблем, приведенного на официальном сайте Нацио­нальной физической лаборатории: «Если есть идеи получше, пишите». NewScientist

 

Есть всего семь основных единиц, которые позволяют определять в науке все другие величины.

 

Сила тока: ампер

Сила неизменяющегося тока, кото­рый, проходя по двум параллель­ным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 метра один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводни­ками силу, равную 2 х 10^-7 Н на участке длиной один метр.

 

Время: секунда

Время, равное 9 192631 770 пе­риодам излучения, соответствую­щего переходу между двумя сверх­тонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

 

Температура: кельвин

1/273,16-я часть термодинамической температуры тройной точки воды.

 

Количество вещества: моль

Количество вещества, содержащее столько же структурных элементов (молекул), сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.

 

Сила света: кандела

Сила света в заданном направле­нии источника, испускающего мо­нохроматическое излучение часто­той 540 х 1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

 

Длина: метр

Расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 /299 792 458 долю секунды.

 

Масса: килограмм

Масса международного прототипа килограмма, который хранится в Севре, Франция.

 

 

►       Сайт Национальной физической лаборатории, Великобритания. Публикации по проблемам метрологии. Возможность поиска данных. Выход на смежные сайты: http://www.npl.co.uk

 

►       Сайт Международного бюро мер и весов. Описание стандартов и проектов. Публикации: http://www.bipm.fr