Текст уведомления здесь
Эталон килограммаNPL / Fiona Auty, the NPL Graphics Team

Постгиря в эпоху метаопределений

С этого дня мир не нуждается в материальном эталоне килограмма

Только что Международное бюро мер и весов пересмотрело определение нескольких фундаментальных мер. С 20 мая 2019 года килограммы, амперы, кельвины и моли будут определяться иначе. «Чердак» объясняет, почему решение бюро знаменует конец грандиозной эпохи — времени, когда килограммы и метры были кусками косной материи, что хранились под чутким присмотром специалистов.
Добавить в закладки
Комментарии

Дитя революции

Все эти преобразования касаются системы единиц СИ (от французского Système international, то есть «международная система»). Она говорит нам, количество чего именно мы принимаем за единицу при измерении протяженности в пространстве и времени, массы, силы тока, температуры, яркости и количества вещества. В некотором смысле можно сказать, что мир, в котором мы с вами обитаем, на самом деле семимерный, потому что ко всему, что мы здесь встречаем, мы можем подойти как минимум с одной измерительной линейкой из семи. Такие величины, как сила (ньютоны), мощность (ватты) или какая-нибудь поглощенная доза ионизирующего излучения (зиверты) уже не независимы, а производны: например, ньютон равен килограмму, умноженному на метр и поделенному на секунду в квадрате.

Древние греки меряли пространство в ладонях (египтяне — в локтях царствующего фараона), а массу — в минах (для этого использовались специальные гирьки), британцы с американцами продолжают пользоваться в быту милями, футами и фунтами. Нам не особенно важны точные метрики вещей до тех пор, пока мы не начинаем серьезно задаваться вопросами об этих самых вещах, да еще и формулируем эти вопросы, начиная со слова «сколько». У ученых, однако, с этим все ровно наоборот. Поэтому именно они всегда были озабочены тем, чтобы линейки, которые мы прикладываем к окружающему нас миру, были как можно более точными и, что не менее важно, одинаковыми у всех и при любых условиях. К концу XVIII века в одной только Франции, по слухам, число разнообразных мер достигало четверти миллиона — ну как тут сравнить полученные данные двум астрономам, живущим вдали друг от друга? 

Один из публичных эталонов метра, установленных на улицах Парижа сразу после его принятия в качестве единицы меры длиныZinneke / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Рассказ о системе СИ, которой пользуются почти все люди на планете (исключая упрямых американцев, британцев и мьянма) и строго все ученые, начинается не с события в лаборатории, а с событий совсем другого масштаба — Французской революции. Воспользовавшись ей, французские же ученые устроили революцию в системе физических единиц. Килограммы и метры были только частью тогдашних преобразований. Не стоит, впрочем, думать, что СИ придумали специально для освобожденных народов: революция послужила удобным предлогом для ученых, чтобы наконец привести единицы меры не в соответствие с местечковыми порядками и волей местной власти, а в соответствии с «самой природой».

Изначально метром была линейка, которая должна была быть равной одной сорокамиллионной от длины окружности Земли (или одной десятимиллионной от четверти окружности). Но вскоре выяснилось, что Земля слишком не похожа на правильный шар. Поэтому с 1875 года за метр решением комитета из 17 стран, включая Российскую империю, стали принимать саму линейку в отрыве от характеристик нашей планеты.

Килограмм должен был быть массой кубического дециметра (литра) воды, но от этого определения отказались практически сразу, поскольку воспроизвести точное взвешивание литра воды при температуре в ноль градусов оказалось проблематичным. До самого последнего времени килограммом была платино-иридиевая гиря, с которой для национальных метрологических организаций делали специальные копии. И, строго говоря, мы пользовались ей до этого дня, ничем не отличаясь в этом от древних греков или ассирийцев, использовавших в качестве эталонов веса гирьки.

С единицей времени было проще: уже были сутки из 24 часов по 60 минут и 60 секунд в минуте, так что секундой вначале назвали просто 1/86400 суток. Но планета не только не идеальный шар, она еще и неравномерно вращается — достаточно крупного землетрясения, чтобы день стал короче или длиннее на несколько миллисекунд.  

Порожденные Французской революцией метры и килограммы продолжили свое победоносное шествие по планете. В 60-м году прошлого века их вместе с еще пятью единицами объединили в систему СИ: метр, килограмм, секунда, кельвин, моль, ампер и кандела. Казалось, бы на этом историю революционной борьбы за свободное и равное измерение природы можно было бы закончить. Но все не так просто.

Проблема эталона

Некоторые единцы СИ поначалу были закреплены в материальных эталонах. Эталоном метра был специально изготовленный брусок, а эталоном килограмма — специально изотовленная гиря. Они хранились — и продолжают храниться — в Международном бюро мер и весов, а их реплики имеются во всех странах членах бюро. Но материальные объекты по определению не идеальны. Вещественные эталоны, даже если их запереть в подвале за тремя замками и под несколькими стеклянными колпаками, со временем изнашиваются. Даже если их брать исключительно специальными щипцами с мягкой подкладкой, хранить в безвоздушной атмосфере, масса и длина все равно будут со временем меняться. Кроме того, эталоны сложно копировать для использования в других лабораториях, поскольку металлообрабатывающие станки и инструменты имеют далеко не идеальную точность.

В качестве идеального эталона могло бы быть что-то абсолютно неизменное и при этом общедоступное, что-то, не требующее хранения в сейфе. Первое определение килограмма как массы литра воды отчасти удовлетворяло этим требованиям, метр тоже был привязан к большой и, как тогда казалось, неизменной планете. Открытие квантовых законов, описывающих излучение атомов и создание теории относительности, в которой свет в вакууме распространяется всегда с постоянной скоростью, позволило найти более точные и доступные способы определения метра с секундой, а вот с килограммом пришлось повозиться дольше.

Теперь-то все точно

Новый килограмм определяется через постоянную Планка, фундаментальную физическую константу. Килограмм, как гласит новый документ, должен оказаться точно таким, чтобы постоянная Планка составила ровно 6,626069×10-34 джоулей на секунду. А  джоули, единицы энергии, в свою очередь выводятся через комбинацию килограмма, метра и секунды.

Инструмент Kibble balance, который смог определить постоянную Планка с достаточной точностью, чтобы привязать ее к стандарту килограммаJennifer Lauren Lee (NIST) / wikimedia commons / public domain

Метр с секундой определены через скорость света (свет проходит точно 299792458 метров за секунду) и излучение охлажденного атома цезия (строго 9192631770 периодов излучения за секунду). Поэтому для поиска нового килограмма даже не нужно ничего взвешивать, а эталон килограмма, долгое время хранившийся в Палате мер и весов, в день празднования Дня метрологии, 20 мая 2019 года, будет иметь уже исключительно историческую ценность.

Если раньше люди договаривались о том, что тот или иной осязаемый объект имеет эталонную массу или длину, то теперь предметом договоренности служит протокол. Ученые больше не говорят: «Вам нужно сделать такую же гирю, как в нашей лаборатории». Вместо этого они говорят: «Вам нужно провести такой-то опыт и откалибровать приборы так, чтобы они показали столько-то», причем схема опыта может вообще быть любой. Постоянная Планка определяет связь энергии квантов излучения с частотой, поэтому ее можно измерить множеством способов, лишь бы было какое-то электромагнитное излучение с возможностью определения энергии и частоты. Договоренность об эталоне массы можно будет даже передать какой-либо инопланетной цивилизации по радио — и перейти к одинаковым единицам массы без всякого обмена гирьками.

Единица сила тока, ампер (а через нее вольт и ом) тоже оказались «отвязаны» от прямолинейных измерений. Раньше ампер определялся через взаимодействие двух проводов с током, а сейчас он должен быть определен так, чтобы в опыте по измерению заряда электрона получилось точно 1,60217×10-19 кулона. Или, что то же самое, ампер, умноженных на секунду. Секунда, напомним, определена через скорость света, поэтому при точном значении кулона и секунды ампер вычисляется по элементарной формуле «1,60217×10-19 поделить на секунду». Определять заряд электрона можно массой разных методов, он никак не поменяется в будущем, и поэтому «новый» ампер гораздо универсальнее «старого».

Аналогично произошло с кельвинами. Раньше их связывали с температурой тройной точки воды (когда она может быть одновременно льдом, жидкостью и паром; это 0,01 градуса Цельсия), но сейчас кельвин выводится через эксперимент по определению постоянной Больцмана. Постоянная Больцмана связывает температуру с энергией, энергия измеряется в джоулях, и опять-таки есть масса вариантов измерения энергии молекул при разной температуре.

Протоколы, которые воспроизводимы в любом месте наблюдаемой Вселенной при наличии там физиков и их приборов, окончательно победили. Сам европейский континент может измениться до неузнаваемости из-за движения литосферных плит, платино-иридиевые цилиндры поменяют массу из-за медленного взаимодействия со средой, но это уже будет неважно —важно будет лишь соблюдение договоренности о том, чему мы считаем равными фундаментальные константы. Эталоном стали вечные и неизменные числа. Даже моль теперь это не «число частиц в 12 граммах чистого углерода», а просто 6,02214129×1023. При желании, если у вас очень много времени, можно отсчитать моль углерода поштучно!

Один моль — это 6,02214129×1023 частиц, поэтому, даже отсчитывая по миллиону в секунду, можно набрать такое количество лишь за срок, который намного больше возраста Вселенной

Зачем такая точность?

Изменения, вызванные вердиктом метрологов, затронут только ученых, которые проводят измерения с очень высокой точностью — намного выше той, которая характерна для большинства как прикладных, так и фундаментальных исследований. Так, изменения, вызванные переопределением единицы силы тока, составляют менее одной десятимиллионной. Это почти всегда бессмысленно малая для инженерных задач величина. Для измеряющих массу или количество вещества специалистов новые определения также вряд ли будут означать необходимость пересчитывать все заново. Но, несмотря на это, решение МБМВ смело можно назвать эпохальным: человечество наконец-то отказалось от использования материального эталона массы в виде тщательно охраняемого платино-иридиевого цилиндра!

Старый килограмм был постоянным только на бумаге. Эталоны, изготовленные метрологами в 1889 году (да, мы пользовались системой, сделанной примерно одновременно с постройкой Эйфелевой башни), «потолстели» на полсотню микрограммов, то есть на пять стомиллионных. Это сравнительно немного, однако для самых точных и тонких опытов такие подверженные инфляции килограммы уже не годятся. Уже в измерении неоднородностей гравитационного поля планеты геофизики подбираются к точности порядка одного микрогала, то есть чуть более одной миллиардной от величины ускорения свободного падения.

Сверхточные измерения чего-либо нужны всем, кто хочет нащупать контуры новой физики. Ученые знают, что, к примеру, квантовая электродинамика позволяет теоретически предсказывать результаты опытов с точностью до одной десятимиллиардной. И если она перестанет работать на одной триллионной, то это будет указанием на необходимость создания какой-то новой теории. Гравитация тоже пока вроде бы соответствует общей теории относительности, но чем точнее опыты, тем скорее удастся выявить отклонения от общепринятой модели.

Без точных и постоянных единиц измерения прогресс науки невозможен. И там, где когда-то хватало точности «плюс-минус три процента» (так Капица убедил Резерфорда взять его в штат: один физик впридачу к уже нанятым тридцати будет в пределах допустимой ошибки), сейчас говорят о миллионных долях. Производство тоже подтягивается следом: процессор в устройстве, с экрана которого вы читаете этот текст, сделан с точностью порядка десятка нанометров. А рядовой навигатор в такси опирается на измерение расстояния до спутников с ошибкой в несколько метров на десятки тысяч километров. Метрология была, да и остается, фундаментом технологий, и сегодня платино-иридиевый цилиндр этого фундамента перешел в форму чистых чисел.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Плавучие университеты: точка роста

Как объединить вузы, академическую науку и индустрию

Плавучие университеты – это не только возможность соединения вузовской и академической науки, но и подготовка молодых исследователей, возможность совершать новые открытия в самых различных сферах, а также продвижение российской науки и высшей школы на мировой арене.
Добавить в закладки
Комментарии

12 ноября в пресс-центре информационного агентства ТАСС состоялась дискуссия  «Плавучие университеты: точка роста. Как объединить  вузы, академическую науку и индустрию», организованная порталом «Чердак» (www.chrdk.ru) при поддержке  Министерства науки и высшего образования РФ.

В дискуссии принимали участие доцент кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых МГУ, один из основателей успешно работавшего плавучего университета МГУ Григорий Ахманов, владелец первого в России частного НИС «Картеш» Сергей Бедаш, а также представители Гагаринского плавучего университета. Кроме того, в дискуссии принимают участие начальник отдела координации и обеспечения деятельности научно-исследовательского флота, полигонов и экспедиций Евгений Наумов и заместитель директора Департамента координации деятельности научных организаций Наталия Голубева.

Модератором выступил член Общественного совета Минобрнауки, обозреватель ИД «Комсомольская правда», заведующий лабораторией НИУ ВШЭ Александр Милкус.

[ ... ]

Читать полностью

Искрят как настоящие

Ученые обнаружили у человеческого мозга, выращенного «в пробирке», такую же активность, что и у мозга недоношенного младенца

Группа ученых из Университета Калифорнии вырастила в чашке Петри кусок коры головного мозга человека и впервые зафиксировала в нем электрическую активность, похожую на активность мозга младенцев, родившихся недоношенными. Корреспондент «Чердака» выяснил, в чем особенность этого открытия.
Добавить в закладки
Комментарии

Мозг и ритмы

Нейробиологи уже давно выяснили, что формирующийся мозг испускает спонтанные электрические импульсы. Не до конца понятно, почему это происходит, но ясно, что электрическая активность — признак живой ткани. При этом в раннем младенчестве, пока связи между нейронами только формируются, их электрическая активность довольно хаотична, без явно выраженных паттернов. Зато мозг взрослого человека «пульсирует» весьма ритмично, и эти «передачи», получившие названия альфа-волн (в полосе частот от 8 до 14 Гц), бета-волн и так далее до лямбды, отличаются по частоте и амплитуде волн.

Вообще, связь разных ритмов мозга с разными состояниями сознания, типами поведения, психическими отклонениями и даже отдельными категориями мышления сама по себе давно не новость. Например, бета-ритм фиксируется, когда человек бодрствует и концентрирует на чем-то внимание, а вот дельта-ритм (медленные волны) наблюдается, когда мы спим. По причине такой связи электрические колебания мозга — возможный признак процесса, во время которого группы нейронов продуцируют сознание и поведение наблюдаемого животного. Эксперименты на новорожденных мышах показали, что определенные паттерны мозговой активности появляются у них непосредственно до и сразу после рождения. Однако зафиксировать, когда именно возникает электрическая активность мозга у эмбрионов человека, практически невозможно — из-за технических сложностей и юридических тонкостей, так что мы до сих пор не понимаем, как формируется мозговая активность у людей и в какой момент это начинает происходить.

Подсвеченные флуоресценцией кортикальные нейроныФото: Shutterstock
[ ... ]
Читать полностью
Фрагмент Королевских ворот в Хаттусу, столицу Хеттской империиStylone / Фотодом / Shutterstock

Бронзовый коллапс, или Куда делись все эти люди

Чем был вызван кризис средиземноморских цивилизаций три тысячи лет назад

В конце второго тысячелетия до нашей эры в Греции и на Ближнем Востоке — в Месопотамии, в Древнем Египте, в Сирии, в Малой Азии — творились очень странные дела. Великие царства бронзового века одно за другим уходили в небытие, из ниоткуда появлялись новые народы, хроники повествовали о нашествиях, голоде и прочих бедствиях. Историки долго предпочитали винить во всем «народы моря», но теперь, благодаря археологическим данным, полученным в последние годы, у нас, кажется, есть основания иначе отвечать на вопрос, кто виноват в коллапсе «бронзовых» цивилизаций.
Добавить в закладки
Комментарии

Как рассказывает профессор Эрик Клайн из Университета Джорджа Вашингтона, директор Капитолийского археологического института, автор книги «1177 BC: The Year Civilization Collapsed», Средиземноморье позднего бронзового века представляло собой мир, очень похожий на современный, — глобализованное пространство с торговыми нитями, опутавшими всю ойкумену, то есть все страны, составлявшие на тот момент европейскую цивилизацию.

Торговые и культурные связи второго тысячелетия до нашей эры обеспечивали единый высокий технологический уровень городов Греции и Ближнего Востока во всем: в кораблестроении, в архитектуре, в обработке металлов. Чтобы показать протяженность и устойчивость торговых путей бронзового века, достаточно сказать, что олово для выплавки бронзовых изделий поступало, скорее всего, из Афганистана, а медь брали на Кипре.  Города были оснащены системами водоснабжения, инженерный уровень которых античным грекам тысячу лет спустя и не снился.

Все это откатилось назад со страшной скоростью в кратчайшие по меркам истории сроки, чтобы сбросить с древнего мира бронзовый век и позволить ему войти в новый век — железный, в ту историю, которую мы изучаем в школе.

За относительно короткое время — в древнеегипетских надписях зафиксирован промежуток от 1207 до 1177 года до нашей эры — весь прекрасный бронзовый мир растворяется. Торговые связи рушатся. Из известных нам царств бронзового века в более-менее нетронутом виде остается Египет, который теряет контроль над Сирией и Палестиной. Вавилон и Ассирия сохраняют разве что локальное значение. Исчезает микенская цивилизация. Разрушена Троя. [ ... ]

Читать полностью