В науке кончилась эпоха, а мы и не заметили

№1–2 (890) 11 — 17 января 2019 г. 09 Января 2019 5

Магнитные весы Киббла

Новостная повестка в нашей и в большинстве других стран весьма своеобразна. Политика, происшествия, скандалы с поп-звездами и активистами, «чернуха» и изредка что-то духоподъемное о национальных успехах и победах. Действительно важные новости в столь ограниченную картину мира зачастую просто не попадают. А между тем пока мы спорим о томосе и автокефалии, как будто сейчас на дворе XII век и рыцари собираются в очередной крестовый поход, в мире происходят без преувеличения эпохальные вещи, которые изменят целые отрасли человеческой деятельности.

Например, многие ли у нас слышали о том, что 16 ноября участники 26-й Генеральной конференции по мерам и весам в Париже приняли историческое решение об изменении определений четырех из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ) — килограмма, ампера, кельвина и моля? Между тем именно это и произошло, и это решение ученых ставит точку в целой эпохе мировой науки и открывает в ней новую страницу.

Такой непостоянный килограмм

Отход от исторических единиц измерения вроде пяди или лье, которые отличались от государства к государству, проходил постепенно. В XIX в. стало ясно, что пересчитывать версты в лиги нецелесообразно, и метрическая система постепенно вытеснила другие единицы. В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины. Исходной мерой длины стал эталон — архивный метр. Кстати, называется он так потому, что хранится во Французском архиве. Эталоном массы стал еще один артефакт — платиново-иридиевый цилиндр, который хранится в Международном бюро мер и весов во французском городе Севр.

В 1875 г. в Париже на специально созванной дипломатической конференции состоялось подписание Метрической конвенции — первого межправительственного соглашения в области метрологии. Был учрежден руководящий орган — Международный комитет мер и весов — в составе ученых разных стран.

Однако по мере развития науки и достижения высочайшей точности вычислений ученым стало понятно, что физические объекты — это не лучший эталон единиц измерения. Все началось с того, что результаты нескольких международных сличений национальных копий севрского килограмма, изготовленных из того же материала, показали, что за сто лет их массы относительно главного эталона изменились в диапазоне 50 микрограммов. При этом насколько изменилась масса севрского «килограмма» — вообще неизвестно, так как сравнивать его не с чем. В современной науке с поисками бозона Хиггса и адронными коллайдерами такое отклонение может привести к недостоверным результатам.

Держитесь, школьники

На самом деле реформа системы СИ началась еще в 60-е, когда ученые отказались от физического эталона метра, изготовленного в 1889 г. Сейчас метр определяется c помощью постоянной Планка: это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды.

В 2005 г. были определены еще три константы, с помощью которых будут фиксироваться остальные единицы. Постоянная Планка была выбрана еще и как основа для определения единицы массы (килограмма); элементарный электрический заряд (заряд электрона) — единицы силы тока; постоянная Больцмана — термодинамической температуры. Несколько лет у исследователей ушло на то, чтобы максимально точно измерить эти константы.

Теперь реформа системы СИ окончательно завершена. Ученые довольны, а составители учебников по физике и учителя печально вздыхают и готовятся нести в массы новые формулы. На Генеральной конференции по мерам и весам было утверждено новое определение килограмма, основанное на постоянной Планка. Так как человеку, забывшему школьный курс физики сразу после получения аттестата о среднем образовании, сложно пересказать его своими словами, предоставим эту задачу профессионалам.

«Установка, с помощью которой можно реализовать новый эталон массы, называется весы Киббла. В таких весах эталоном выступает груз, который уравновешивает силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускают ток. Таким образом, массу объекта можно найти за счет равенства электрической и механической сил. Константа Планка «прячется» в уравнениях, описывающих работу электрической части установки, и без ее фиксирования переопределить килограмм было невозможно. Примечательно, что та же самая установка ранее использовалась как раз для уточнения константы Планка, но для этого применялся другой режим ее работы», — пишет научный журнал N+1.

Помимо килограмма, на конференции пересмотрели определение ампера, принятое в 1948 г. Если раньше оно было основано на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током, то теперь связано с численным значением электрического заряда.

Изменения коснулись и единицы измерения температуры. Раньше один кельвин определялся как 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Тройная точка воды в свою очередь означает строго определенные значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трех фаз — в твердом, жидком и газообразном. Достигается она при температуре 273,16 К (0,01°C) и давлении 611,657.

Но, как оказалось, в воде всегда есть примеси тяжелых изотопов водорода и кислорода, и они могут значительно сдвигать тройную точку. Ученым пришлось даже создать отдельный стандарт — Венский стандарт усредненной океанской воды. Кроме того, чтобы определять точные значения в других диапазонах, приходилось контролировать точки плавления и кипения нескольких других веществ. Всем этим мучениям пришел конец. Новое определение кельвина основано на постоянной Больцмана, которая теперь будет точно равна 1,380649 х 10-23 Дж х K-1 (джоулей на кельвин).

Наконец, моль, единица измерения количества вещества, который был привязан к количеству атомов в 0,012 килограмма стабильного углерода-12, т. е. связан с массой, теперь будет от нее отвязан. В новой трактовке системы СИ моль определен через зафиксированную постоянную Авогадро, т. е. будет равен 6,02214076х1023 частиц.

Встречай, Вселенная

Что же все это значит для простого смертного? Может, с 20 мая 2019 г., а именно тогда, во Всемирный день метрологии, вступят в силу все эти изменения, на рынке продавцы будут взвешивать мясо на магнитных весах Киббла? Или для того, чтобы купить 10 метров обоев, придется измерять скорость света в вакууме? Конечно, нет. Но в мировом масштабе последствия этого шага, безусловно, будут.

Для начала благодаря новому определению килограмма каждая страна сможет воспроизводить эталонную установку самостоятельно в любое время и в любом месте. Для этого больше не нужно будет прибегать к сверке с главным эталоном, хранящимся в Севре, и просить цилиндр для изготовления национальной копии.

Кроме того, новая система СИ позволит сделать вычисления ученых намного более точными и универсальными. Хотя и добавит головной боли выпускникам, которым придется переучивать определения перед экзаменами.

Как сказал накануне голосования представитель Национального института стандартов и технологий США Стивен Шламмингер, «если когда-нибудь инопланетяне прилетят на Землю, о чем нам еще с ними разговаривать, если не о физике? Но чтобы говорить о физике, нужно будет договориться и об общих единицах измерений. И если мы скажем, что в основе нашей единицы массы лежит металлическая гиря из Парижа, над нами будет смеяться вся Вселенная».

Что ж, теперь мы можем не бояться насмешек инопланетян, главное — не давать им смотреть наши новости и реалити-шоу. Ну а «гиря из Парижа»? Гиря еще может пригодиться для того, чтобы объяснить младшекласснику, что такое килограмм, не забивая ему голову постоянными Планка и весами Киббла. Забить голову он всегда успеет, и хорошо, если физикой.

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

загрузка...
Loading...

Загрузка...

На острове Сите: в Париже несколько человек погибли в...

Четыре человека погибли, один тяжело ранен вследствие нападения на парижских...

Надеюсь на взаимопонимание

Нравственность — важнейший элемент любого производственного и общественного...

Суть медреформы — убить науку?

Министерство здравоохранения должно быть заинтересовано не в разрушении...

Не было бы Порошенко с Яценюком – Крым до сих пор был...

Недавний обмен заключенными между Украиной и РФ показал, что президент Зеленский...

Опасность поджидает впереди

Любой украинец жаждет скорейшего завершения войны в Донбассе и окончательного...

Антигерманская игра на газовом поле

Стремление нанести экономический ущерб России может заставить Украину поддержать...

Загрузка...

Неконституционный закон должен быть отменен

Законом «О статусе ветеранов войны, гарантиях их социальной защиты» определены...

Долг факторингом красен

Должник может не выплачивать долг новому кредитору до предоставления доказательств...

Далекі від інтересів держави та суспільства

У «2000» звернувся начальник установи «28 управління начальника робіт»...

Квартири військовим не потрібні?

Начальник установи «28 управління начальника робіт» Володимир Геращенко був у...

Отсидел срок — иди в младшие бакалавры

Выпускников профессиональных колледжей трудоустраивать никто не собирается

«Меня судят за хорошо выполненную работу», -- эксперт в...

Очевидно, что обвинение рассчитывает на провинциальную тишину и минимальное внимание...

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Loading...
Получить ссылку для клиента

Авторские колонки

Блоги

Idealmedia
Загрузка...
Ошибка