Фи­зи­ка

Ми­ро­вое со­об­ще­ство за­но­во опре­де­ля­ет глав­ные еди­ни­цы из­ме­ре­ния

Russian Reporter - - СОДЕРЖАНИЕ - Текст: Гри­го­рий Та­ра­се­вич, «Кот Шре­дин­ге­ра» и oLogy.sh спе­ци­аль­но для «РР»

Ки­ло­грамм уже не тот. Ми­ро­вое со­об­ще­ство за­но­во опре­де­ля­ет глав­ные еди­ни­цы из­ме­ре­ния

«Мне, по­жа­луй­ста, пол­ки­ло кол­ба­сы и грам­мов две­сти кар­бо­на­да…» — что­бы до кон­ца осо­знать всю глу­би­ну этой фра­зы, нуж­но осво­ить прин­ци­пы кван­то­вой ме­ха­ни­ки. Ведь те­перь ки­ло­грамм как еди­ни­ца мас­сы бу­дет опре­де­лять­ся не че­рез зна­ме­ни­тый пла­ти­но­вый эта­лон, хра­ня­щий­ся в Па­ри­же, а че­рез фи­зи­че­скую кон­стан­ту — по­сто­ян­ную План­ка. Та­кое пред­ло­же­ние вы­не­се­но на за­се­да­ние Ге­не­раль­ной кон­фе­рен­ции по ме­рам и ве­сам (это выс­ший меж­ду­на­род­ный ор­ган, от­ве­ча­ю­щий за еди­ни­цы из­ме­ре­ния). Ки­ло­грамм пе­ре­ста­нет быть по­след­ней еди­ни­цей, при­вя­зан­ной к ру­ко­твор­но­му но­си­те­лю. Вме­сте с ки­ло­грам­мом к аб­со­лют­ным фи­зи­че­ским кон­стан­там при­вя­жут гра­дус Кель­ви­на, ам­пер и моль. Уче­ные на­зы­ва­ют эти пе­ре­ме­ны са­мы­ми зна­чи­мы­ми за все вре­мя су­ще­ство­ва­ния Меж­ду­на­род­ной си­сте­мы еди­ниц

Че­ло­ве­че­ство на­учи­лось из­ме­рять дли­ну, мас­су, вре­мя и про­чие важ­ные па­ра­мет­ры еще во вре­ме­на Древ­не­го Егип­та. Но на про­тя­же­нии мно­гих сто­ле­тий с еди­ни­ца­ми из­ме­ре­ния тво­рил­ся пол­ный бар­дак. Осо­бен­но тяж­ко при­хо­ди­лось в Сред­не­ве­ко­вье, ко­гда на ме­сте чет­кой Рим­ской им­пе­рии по­яви­лось мно­же­ство неза­ви­си­мых или по­лу­не­за­ви­си­мых го­су­дарств.

Толь­ко од­них фун­тов бы­ло несколь­ко де­сят­ков (ан­глий­ский, рус­ский, ав­стрий­ский, швед­ский, датский и так да­лее). И каж­дый из них со­от­вет­ство­вал раз­ным мас­сам — от 410 до 560 грам­мов. Соб­ствен­ные еди­ни­цы мас­сы мог­ло вво­дить не толь­ко го­су­дар­ство, но да­же ка­кое-ни­будь кня­же­ство или тор­го­вый го­ро­док. То же са­мое ка­са­лось и мер дли­ны. Очень неудоб­но!

Ко­неч­но, ко­гда де­ло ка­са­ет­ся про­да­жи пше­ни­цы или сос­но­вых бре­вен, еще мож­но как-то до­го­во­рить­ся или про­сто пре­не­бречь по­греш­но­стью из­ме­ре­ний (все рав­но каж­дый тор­го­вец но­ро­вит немнож­ко смух­ле­вать). Но что де­лать, ко­гда речь идет, на­при­мер, о де­та­лях для слож­но­го стан­ка, ко­гда ошиб­ка в мил­ли­метр мо­жет при­ве­сти ма­ши­ну в негод­ность?

Или, пред­по­ло­жим, ва­ша стра­на ве­дет вой­ну. На ар­тил­ле­рий­ской ба­та­рее кон­ча­ют­ся бо­е­при­па­сы, и со­юз­ни­ки го­то­вы опе­ра­тив­но до­ста­вить ту­да свои яд­ра. Но сов­па­дут ли они по ка­либ­ру с ва­ши­ми пуш­ка­ми? Во вре­мя вра­же­ской ата­ки при­дет­ся по­нять, в ка­ких еди­ни­цах из­ме­ря­ет­ся диа­метр. Это клас­си­че­ские ан­глий­ские дюй­мы — 2,53 см? Или ста­рые прус­ские дюй­мы — 2,61 см? А мо­жет, но­вые прус­ские — 3,76 см? Или ба­вар­ские — 2,91 см? Или вен­ские — 2,63 см? Или кур­лянд­ские — 3,36 см? Пред­ставь­те се­бя на ме­сте ка­но­ни­ров, ко­то­рым в раз­гар боя на­до разо­брать­ся с еди­ни­ца­ми из­ме­ре­ний, за­тем про­из­ве­сти пе­ре­рас­чет и толь­ко по­сле это­го за­ря­жать пуш­ку. Про­ще сдать­ся про­тив­ни­ку, чем про­де­лать все эти опе­ра­ции.

При­зы­вы к со­зда­нию уни­вер­саль­ных еди­ниц из­ме­ре­ния ста­ли зву­чать с кон­ца XVII ве­ка. На­при­мер, в 1675 го­ду изоб­ре­та­тель и фи­ло­соф Ти­то Ли­вио Бу­рат­ти­ни опуб­ли­ко­вал кни­гу Misura universale («Уни­вер­саль­ное из­ме­ре­ние»), в ко­то­рой пред­ла­гал свою си­сте­му фи­зи­че­ских еди­ниц, в чис­ле ко­то­рых был и «ка­то­ли­че­ский метр» — кста­ти, до­воль­но близ­кий к со­вре­мен­но­му.

Ны­неш­няя де­ся­тич­ная мет­ри­че­ская си­сте­ма по­яви­лась во мно­гом бла­го­да­ря Лю­до­ви­ку XVI.

Из ин­тел­лек­ту­а­лов то­го вре­ме­ни он со­здал ко­мис­сию по вы­ра­бот­ке на­уч­но обос­но­ван­ных еди­ниц. К это­му вре­ме­ни метр еще не был утвер­жден офи­ци­аль­но, но бы­ло при­мер­но по­нят­но, о чем идет речь. Из мет­ра пред­ла­га­лось вы­ве­сти мас­су. По идее, глав­ной еди­ни­цей долж­на бы­ла стать ны­неш­няя тон­на — столь­ко ве­сит во­да, на­ли­тая в куб со сто­ро­на­ми в один метр. Но во­зить­ся с та­ки­ми тя­же­лы­ми шту­ка­ми в ла­бо­ра­то­рии бы­ло неудоб­но, и уче­ные пред­ло­жи­ли еди­ни­цу под на­зва­ни­ем грав (grave). Это сло­во про­ис­хо­дит от то­го же ла­тин­ско­го кор­ня, что и «гра­ви­та­ция». По-фран­цуз­ски это зна­чит «тя­жесть», в ан­глий­ском до­бав­ля­ет­ся еще од­но зна­че­ние — «мо­ги­ла». Один грав был эк­ви­ва­лен­тен мас­се во­ды в де­ци­мет­ро­вом ку­бе, то есть со­вре­мен­но­му ки­ло­грам­му.

Но тут во Фран­ции слу­чи­лась ре­во­лю­ция. Лю­до­ви­ку XVI от­ру­би­ли го­ло­ву. За­кон­чил свою жизнь на ги­льо­тине и один из клю­че­вых чле­нов ко­мис­сии — зна­ме­ни­тый хи­мик и фи­зик Ан­ту­ан Ла­ву­а­зье. Рес­пуб­ли­кан­ское пра­ви­тель­ство от идеи мет­ри­че­ской си­сте­мы не от­ка­за­лось, бла­го она хо­ро­шо впи­сы­ва­лась в но­вую идео­ло­гию. Од­на­ко за еди­ни­цу мас­сы был взят во­дя­ной ку­бик с реб­ром в сан­ти­метр. Так по­лу­чил­ся грамм. Офи­ци­аль­ное опре­де­ле­ние бы­ло при­ня­то 7 ап­ре­ля 1795 го­да: «Грамм — это аб­со­лют­ный вес объ­е­ма чи­стой во­ды, рав­но­го ку­бу в со­тую часть мет­ра при тем­пе­ра­ту­ре та­ю­ще­го льда».

Здесь опять сыг­рал роль фак­тор удоб­ства. Ра­бо­тать с эта­ло­на­ми в один грамм очень хло­пот­но, осо­бен­но учи­ты­вая точ­ность при­бо­ров то­го вре­ме­ни. По­это­му ис­поль­зо­ва­ли ба­зо­вую ги­рю в ты­ся­чу грам­мов, то есть — ки­ло­грамм. По­сте­пен­но имен­но она ста­ла вос­при­ни­мать­ся как ос­нов­ная. Ки­ло­грамм стал глав­ным сред­ством из­ме­ре­ния мас­сы, а грамм — лишь его ты­сяч­ной до­лей, хо­тя долж­но бы­ло быть на­обо­рот, ведь все меж­ду­на­род­ные еди­ни­цы с при­став­ка­ми ки­ло-, мил­ли-, ме­га- и так да­лее яв­ля­ют­ся не ба­зо­вы­ми, а про­из­вод­ны­ми от них. Си­ту­а­ция про­ти­во­ре­чит об­щей ло­ги­ке, но так ис­то­ри­че­ски сло­жи­лось.

Пра­во ки­ло­грам­ма счи­тать се­бя глав­ным бы­ло за­фик­си­ро­ва­но в Мет­ри­че­ской кон­вен­ции, под­пи­сан­ной 20 мая 1875 го­да в Па­ри­же. Этот до­ку­мент мож­но по­ста­вить в один ряд с Декла­ра­ци­ей неза­ви­си­мо­сти США или Все­об­щей декла­ра­ци­ей прав че­ло­ве­ка. Сем­на­дцать стран ми­ра — от Рос­сии, Фран­ции и Гер­ма­нии до От­то­ман­ской им­пе­рии и Ар­ген­тин­ской кон­фе­де­ра­ции — до­го­во­ри­лись под­дер­жи­вать еди­ную си­сте­му из­ме­ре­ний.

По­ми­мо про­че­го, эта кон­вен­ция про­воз­гла­ша­ет соз­да­ние Меж­ду­на­род­но­го бю­ро мер и ве­сов со штаб-квар­ти­рой во Фран­ции. Имен­но там по сей день хра­нят­ся все эталоны. А выс­шим ми­ро­вым ор­га­ном объ­яв­ля­лась Ге­не­раль­ная кон­фе­рен­ция по ме­рам и ве­сам. Имен­но ее ре­ше­ния вли­я­ют на судь­бу всех ос­нов­ных еди­ниц из­ме­ре­ния, с ко­то­ры­ми мы стал­ки­ва­ем­ся. И сей­час она долж­на при­нять но­вые опре­де­ле­ния для че­ты­рех из се­ми важ­ней­ших еди­ниц.

Ап­грейд ки­ло­грам­ма

Не пу­гай­тесь — для нас ки­ло­грамм так и оста­нет­ся ки­ло­грам­мом, мас­са двух­сот­грам­мо­во­го кус­ка кол­ба­сы не уве­ли­чит­ся и не умень­шит­ся. Точ­но так же не из­ме­нят­ся и зна­че­ния ам­пе­ра, гра­ду­са тем­пе­ра­ту­ры и мо­ля.

— Зна­че­ние пред­сто­я­щих пе­ре­мен за­клю­ча­ет­ся в том, что те­перь мо­гут из­ме­нить­ся неко­то­рые по­ня­тия, ко­то­рые боль­шин­ство из нас изу­ча­ло в шко­ле и ко­то­рые до сих пор вос­при­ни­ма­ют­ся на­ми как вы­се­чен­ные на камне. Пла­ти­но­и­ри­ди­е­вый про­то­тип ки­ло­грам­ма, ко­то­рый со­дер­жит­ся под тре­мя зам­ка­ми в хра­ни­ли­ще под Па­ри­жем, бу­дет от­стра­нен от дел — по­сле 137-лет­ней служ­бы. Это, без вся­ко­го со­мне­ния, бу­дет озна­чать ко­нец эпо­хи, — за­яв­ля­ет Сти­вен Па­то­рай, ди­рек­тор Меж­ду­на­род­ной ор­га­ни­за­ции за­ко­но­да­тель­ной мет­ро­ло­гии.

Ко­гда че­ло­век при­ду­мы­вал еди­ни­цы из­ме­ре­ния, то в первую оче­редь смот­рел во­круг се­бя. Вот я сде­лал шаг — это при­мер­но метр. Хо­ро­шо по­обе­дал — в же­луд­ке ока­за­лось око­ло ки­ло­грам­ма еды и жид­ко­сти. Про­шли сут­ки — это по­чти 24 ча­са. На­ча­ли за­мер­зать лу­жи — зна­чит, тем­пе­ра­ту­ра опу­сти­лась ни­же ну­ля.

Эти ин­ту­и­тив­ные еди­ни­цы уче­ные при­вя­за­ли к бо­лее точ­ным по­ка­за­те­лям. На­при­мер,

тот же ки­ло­грамм — это мас­са во­ды в ку­би­че­ском де­ци­мет­ре. Но тре­бо­ва­ния к точ­но­сти ста­но­ви­лись все бо­лее жест­ки­ми — ты­сяч­ные до­ли, мил­ли­он­ные, мил­ли­ард­ные. Что­бы вы­ра­зить ки­ло­грамм че­рез во­ду, нуж­но, что­бы она бы­ла аб­со­лют­но чи­стой, без пу­зырь­ков, со­лей и так да­лее. Еще на­до точ­но за­фик­си­ро­вать тем­пе­ра­ту­ру и ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние. Но, ока­зы­ва­ет­ся, и это­го недо­ста­точ­но! Да­же чи­стей­шая во­да со­дер­жит при­ме­си изо­то­пов во­до­ро­да и кис­ло­ро­да… Про­ще со­здать эта­лон­ную ги­рю, ко­то­рая бу­дет объ­яв­ле­на ки­ло­грам­мом и с ко­то­рой ста­нут све­рять­ся все ги­ри ми­ра. Так и по­сту­пи­ли.

Ны­неш­ний эта­лон мас­сы был из­го­тов­лен в 1889 го­ду из пла­ти­ны (90%) и ири­дия (10%). Внешне он пред­став­ля­ет со­бой ци­линдр со сгла­жен­ны­ми уг­ла­ми вы­со­той при­мер­но 39 мил­ли­мет­ров. С мо­мен­та со­зда­ния он хра­нит­ся в штаб-квар­ти­ре Меж­ду­на­род­но­го бю­ро мер и ве­сов, рас­по­ло­жен­но­го в Сев­ре, пред­ме­стье Па­ри­жа. Все­го бы­ло со­зда­но бо­лее 80 ко­пий. Две ко­пии меж­ду­на­род­но­го эта­ло­на бы­ли пе­ре­да­ны Рос­сии, они хра­нят­ся во ВНИИ мет­ро­ло­гии им. Д. И. Мен­де­ле­е­ва в Санкт-Пе­тер­бур­ге.

Глав­ные на­ци­о­наль­ные эталоны све­ря­ют­ся с дру­ги­ми об­раз­ца­ми, ис­поль­зу­е­мы­ми в стране, для че­го ис­поль­зу­ет­ся при­бор под на­зва­ни­ем ком­па­ра­тор. На ос­но­ве про­ве­рен­ных эта­ло­нов вы­ве­ря­ют дру­гие — и так по це­поч­ке вплоть до ве­сов в ма­га­зине, на ко­то­рых взве­ши­ва­ют кол­ба­су.

Ос­нов­ной рос­сий­ский ки­ло­грамм хра­нит­ся как ко­ще­е­ва смерть — под тре­мя гер­ме­тич­ны­ми кол­па­ка­ми, в сей­фе, ко­то­рый на­хо­дит­ся за тол­стен­ны­ми две­ря­ми в осо­бом по­ме­ще­нии спе­ци­аль­но­го кор­пу­са Ин­сти­ту­та мет­ро­ло­гии. Важ­но за­щи­тить рос­сий­скую гирь­ку от лю­бых воз­дей­ствий — ат­мо­сфер­ных, тем­пе­ра­тур­ных, сей­сми­че­ских. — Пе­ри­о­ди­че­ски мы во­зим наш эта­лон во Фран­цию, что­бы све­рить с глав­ным эта­ло­ном. Да, про­сто бе­рем, по­ме­ща­ем в спе­ци­аль­ный кон­тей­нер, са­дим­ся в са­мо­лет и от­прав­ля­ем­ся в ко­ман­ди­ров­ку. В ка­ком-то смыс­ле это вполне ру­тин­ная про­це­ду­ра, — рас­ска­зы­ва­ет ве­ду­щий на­уч­ный со­труд­ник ВНИИМ им. Д. И. Мен­де­ле­е­ва Вик­тор Сне­гов. Его долж­ность на­зы­ва­ет­ся кра­си­во: уче­ный хра­ни­тель Го­су­дар­ствен­но­го пер­вич­но­го эта­ло­на еди­ни­цы мас­сы, или, ес­ли про­ще, — хра­ни­тель ки­ло­грам­ма.

С глав­ным фран­цуз­ским ки­ло­грам­мом срав­ни­ва­ют и дру­гие на­ци­о­наль­ные об­раз­цы. И ре­зуль­та­ты этих срав­не­ний вы­яви­ли стран­ный эф­фект — мас­сы ци­лин­дров, ко­то­рые из­на­чаль­но бы­ли пол­но­стью иден­тич­ны­ми, ста­ли раз­ли­чать­ся. За сто лет один об­ра­зец по­тя­же­лел по­чти на 70 мик­ро­грам­мов, дру­гой — на 25, тре­тий — на 45, а еще один во­об­ще стал лег­че на 30 мик­ро­грам­мов. Да, речь идет о мил­ли­ард­ных до­лях ки­ло­грам­ма. Но для са­мо­го глав­но­го эта­ло­на и это очень важ­но. А са­мое обид­ное — нель­зя объ­ек­тив­но про­ве­рить, как из­ме­ни­лась мас­са глав­но­го эта­ло­на: ведь сколь­ко бы он ни ве­сил, это все­гда бу­дет при­ни­мать­ся за ки­ло­грамм.

Это и по­слу­жи­ло од­ной из при­чин, по ко­то­рой ре­ше­но бы­ло от­ка­зать­ся от опре­де­ле­ния ки­ло­грам­ма че­рез ру­ко­твор­ный эта­лон. Вме­сто это­го пред­ло­же­но ис­поль­зо­вать ка­кую-то по­сто­ян­ную фи­зи­че­скую ве­ли­чи­ну, под­счи­тан­ную с вы­со­кой точ­но­стью.

— Ес­ли мы по ка­ким-то при­чи­нам по­те­ря­ем ны­неш­ний эта­лон, то мы по­те­ря­ем все. А ес­ли ис­поль­зо­вать кон­стан­ты, то мож­но лег­ко этот эта­лон вос­про­из­ве­сти. И не­важ­но, ка­ким имен­но он бу­дет: зо­ло­тым ци­лин­дром или крем­ни­е­вым ша­ром, — по­яс­ня­ет Сне­гов.

Еще в 1960 го­ду по­доб­ная опе­ра­ция бы­ла про­де­ла­на с мет­ром. Глав­ной еди­ни­цей стал не ку­сок ме­тал­ла, а дли­на вол­ны, из­лу­ча­е­мой изо­то­пом крип­то­на, по­мно­жен­ная на опре­де­лен­ный ко­эф­фи­ци­ент. А в 1983 го­ду

опре­де­ле­ние мет­ра ста­ло со­всем эле­гант­ным: дли­на пу­ти, прой­ден­но­го све­том в ва­ку­у­ме за 1/299 792 458 се­кун­ды. То есть ско­рость све­та за­фик­си­ро­ва­на как точ­ная кон­стан­та, а метр уже от­стра­и­ва­ет­ся от нее.

Се­кун­да то­же при­вя­за­на к про­цес­сам мик­ро­ми­ра — это вре­мя, рав­ное 9 192 631 770 пе­ри­о­дам из­лу­че­ния, со­от­вет­ству­ю­ще­го пе­ре­хо­ду меж­ду дву­мя сверх­тон­ки­ми уров­ня­ми ос­нов­но­го со­сто­я­ния ато­ма це­зия-133 при тем­пе­ра­ту­ре 0° по Кель­ви­ну.

Для ки­ло­грам­ма в ка­че­стве кон­стан­ты бы­ло ре­ше­но взять по­сто­ян­ную План­ка, на­зван­ную в честь фи­зи­ка Мак­са План­ка, ко­то­рый пред­ло­жил ее в на­ча­ле XX ве­ка. Это не та­кая лег­кая для по­ни­ма­ния кон­стан­та, как ско­рость све­та. Ее на­зы­ва­ют «эле­мен­тар­ным кван­том дей­ствия», «гра­ни­цей меж­ду мак­ро­ми­ром и мик­ро­ми­ром», «ко­эф­фи­ци­ен­том, свя­зы­ва­ю­щим ве­ли­чи­ну энер­гии кван­та элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния с его ча­сто­той».

Но глав­ное — она мо­жет вы­ра­жать­ся в джо­у­лях, по­мно­жен­ных на се­кун­ду. В свою оче­редь, джо­у­ли мо­гут быть све­де­ны к мас­се, рас­сто­я­нию и вре­ме­ни. Дли­на и вре­мя уже опре­де­ле­ны фун­да­мен­таль­ны­ми кон­стан­та­ми. Вы­чис­лив по­сто­ян­ную План­ка, мы по­лу­чим са­мое объ­ек­тив­ное опре­де­ле­ние ки­ло­грам­ма. Сей­час эта кон­стан­та уже под­счи­та­на с точ­но­стью до 2 × 10–8. Уче­ные счи­та­ют, что это­го до­ста­точ­но, что­бы объ­явить все­му ми­ру о но­вом прин­ци­пе опре­де­ле­ния мас­сы.

P. S. На мо­мент под­пи­са­ния но­ме­ра в пе­чать еще не бы­ло яс­но, при­мет ли Ге­не­раль­ная кон­фе­рен­ция по ме­рам и ве­сам, про­хо­дя­щая с 12 по 16 но­яб­ря в Вер­саль­ском двор­це, но­вое опре­де­ле­ние ки­ло­грам­ма и дру­гих еди­ниц. В част­но­сти, для то­го что­бы мож­но бы­ло опре­де­лить­ся с мас­сой, долж­ны с вы­со­кой точ­но­стью сов­пасть дан­ные из­ме­ре­ния по­сто­ян­ной План­ка (это де­ла­ет­ся с по­мо­щью так на­зы­ва­е­мых ватт-ве­сов) и чис­ла Аво­га­д­ро (его по­лу­ча­ют пу­тем под­сче­та ко­ли­че­ства ато­мов в крем­ни­е­вой сфе­ре). Но в лю­бом слу­чае ки­ло­грамм уже ни­ко­гда не бу­дет преж­ним.

Эти шар и ци­линдр — рос­сий­ские об­раз­цы эта­ло­на ки­ло­грам­ма

Метр был пе­ре­опре­де­лен еще в 1983 го­ду, стал пер­вой кван­то­вой ве­ли­чи­ной. Но наш на­ци­о­наль­ный эта­лон мет­ра до сих пор хра­нит­ся во ВНИИМ как го­су­дар­ствен­ное до­сто­я­ние

Фо­то­гра­фии: Пресс-служ­ба ВНИИМ им. Д.И.Мен­де­ле­е­ва и Фе­де­раль­но­го агент­ства по тех­ни­че­ско­му ре­гу­ли­ро­ва­нию и мет­ро­ло­гии (2) Вик­тор Сне­гов, уче­ный хра­ни­тель Го­су­дар­ствен­но­го пер­вич­но­го эта­ло­на еди­ни­цы мас­сы, ве­ду­щий на­уч­ный со­труд­ник ВНИИМ им. Д.И. Мен­де­ле­е­ва

Newspapers in Russian

Newspapers from Russia

© PressReader. All rights reserved.