54 країни, які використовують кілограм як одиницю, хочуть адаптувати його до 21 століття за новим визначенням, щодо якого досі немає єдиної думки
Наук 31.01.2011 08:00
У світі багато кілограмів, але справжній - лише один. Це тягар, який вміщується в одній руці і зберігається у сховищі поблизу Парижа. З часу свого створення в 1880 році він був світовим еталоном для решти ваг, які відкалібрували ваги Іспанії та 53 інших країн. Але, на думку експертів, які його охороняють та аналізують, старий кілограм вже не працює.
"Об'єкт, зроблений в 1880 році, вже не дійсний як посилання для вимірювання маси в 21 столітті", - пояснює Джон Сток, фізик Міжнародного бюро мір і ваг (BIPM) у Севрі, в підвалі якого зберігається оригінальний кілограм .
За словами експертів, оригінальний кілограм, викутий в 1880 році, схуд
У понеділок Stock та ще 20 експертів з вимірювань з Європи та США провели зустріч у Лондоні, щоб спланувати перевизначення кілограма, який повинні прийняти 54 країни, включаючи Іспанію, які використовують Міжнародну систему одиниць. "Нам потрібне визначення, яке буде стабільним і доступним для всіх", - каже Сток, керуючи одним із найточніших ваг у світі, за допомогою якого він зважує кілограм, щоб виразити його значення на основі універсальної константи, а не дев'ятнадцятої -вікова вага.
Щороку троє чоловіків спускаються в підвал, де знаходиться кілограм, відкривають хвіртку і перевіряють, що вона все ще ціла. Вони є директором BIPM, президентом Міжнародного комітету мір і ваг та директором архівів Франції. Кожен охороняє один із трьох ключів, що відчиняють двері.
"Перший раз, коли я побачив весь цей процес, мені здалося, що це дуже смішно", - пояснює Ян Міллс, експерт з мікроскопії Університету Редінга (Великобританія) і один з організаторів зустрічі минулого тижня. Лише тричі кілограм виймали з його камери. Потрібно було перевірити, що його вага залишається незмінною. Результати двох останніх зважувань, у 1946 та 1989 роках, дали тривожний результат: кілограм втратив близько 0,00005 грамів.
Міжнародний орган перегляне одиницю виміру маси
"Ми не знаємо, що сталося з вагою в минулому столітті", - визнає Сток. Як і він, інші команди з США, Швейцарії, Канади, Китаю та шести інших країн роблять власні розрахунки на основі універсальних констант.
Ці зусилля спрямовані на надання консультацій політичним делегатам Генеральної конференції мір та ваг (CGPM), яка об'єднує 54 країни Конвенції про метро. Підписана у 1875 р. Конвенція була розроблена для стандартизації ваги (кілограм), часу (секунди), довжини (метра), інтенсивності струму (ампер), температури (кельвін), кількості речовини (моль) та інтенсивності світла (канделя) ).). Після зустрічі минулого тижня в Лондоні стало ясно, що домовленості про нову кілограму неможливо досягти під час наступного засідання CGPM у жовтні.
Угода не може бути досягнута до 2015 року або навіть пізніше
Причиною є невідповідність між двома великими експериментами, які переважили кілограм як функцію двох констант. Один - той, який Макс Планк відкрив у 1900 р. І який закладає основи квантової фізики. Інший - запропонований Амедео Авогадро майже століттям раніше для розрахунку кількості атомів у газі на основі його обсягу.
Застосовані до кілограма, пропозиції обох авторів розходяться. "Точна величина розбіжності становить 0,00000017", - пояснює Естефанія де Мірандес, фізик з Барселони, який працює над перевизначенням кілограма в IBPM. Цього розбіжності буде достатньо, щоб затримати міжнародний пакт до наступного засідання CIPM, через чотири роки.
"Існує розумна ймовірність того, що нове визначення буде затверджено в 2015 році, але немає впевненості", - пояснює Сток. Ще три заходи міжнародної системи повинні будуть почекати до 2015 року, щоб бути переосмисленими: родимка, ампер та градус Кельвіна, що подобається не всім залученим експертам.
"Це питання може викликати у нас проблеми в майбутньому", - зізнається цій газеті фізик Джон Холл, фахівець з вимірювання величин лазером і лауреат Нобелівської премії з фізики 2005 року. За словами Холла, переосмислення може призвести до "роз'єднання з минулим".
Французька вага була вироблена в Лондоні 131 рік тому, щоб з найбільшою точністю відтворити так званий "кілограм архівів". Це була міра, еквівалентна вазі літра води, яку встановив уряд Франції в 1795 році, коли країна вела війну проти європейських держав, які хотіли придушити революцію.
Також буде перевірено ампер, кельвін і родимку
Британська компанія Johnson Matthey, яка все ще експлуатується, ретельно відполірувала 39-міліметровий балон з платини, щоб його вага була максимально наближена до ваги літра води. З тих пір вага зберігається у палаті BIPM разом із шістьма примірниками. Ваги оригіналу та копій, понад століття потому, загадково відрізняються. "Ми не знаємо, чи набирають одні маси, а інші її втрачають, або про яку саме масу йдеться", - визнає Міллс. Різниця настільки мала, що це не спричинить бійки між продавцями фруктів та споживачами, але спричинить наукові дебати в лабораторіях по всьому світу та проблеми для студентів. "Мета перевизначення полягає не в тому, щоб зробити концепцію якомога простішою, а у встановленні одиниці маси, яка є якомога стабільнішою з часом", - стверджує Сток.
Причиною змін є те, що немає нічого більш стабільного, з яким можна порівняти початковий кілограм, щоб визначити його справжню вагу. Тут входить константа Планка, незмінна величина в природі, яка буде використана як посилання для вираження величини кілограма. У 1983 році для перевизначення лічильника була використана інша константа природи - швидкість світла.
Існує два способи поглинання кілограма з максимальною точністю. Один з них - використання шкали потужності. З одного боку - кілограм, а з іншого - котушка, через яку циркулюють електричні струми, що відтворюють постійну Планка, близьку до ваги електрона, але не рівну йому.
З п’яти шкал, що існують у світі (США, Канада, Швейцарія, Франція та BIPM), на сьогодні результати дав лише американський. Інший спосіб - використовувати константу Авогадро, яка є кількістю 12 атомів вуглецю в 12 грамах цієї речовини. Оскільки і Планка, і Авогадро є константами природи, їх оцінки кілограма повинні бути однаковими, але вони не є.
"Невідповідність становить одну частину з десяти мільйонів, і мета не перевищувати дві-три частини на 100 мільйонів", - резюмує Міллс. Це не єдина проблема. Перевизначення потребує додаткових підтверджень інших експериментів, які не з’являться ще два роки, у випадку балансу потужності, який використовує Stock, та інших ще більш точних ваг, які все ще будуються.
Нобелівський зал також вимагає зважити більше копій кілограма, включаючи ті, що використовуються компаніями, до прийняття нової вартості. Загалом, процес переосмислення триває з 1976 року, повідомляє Stock. Задовго до кінця, можливо цього року, троє зберігачів кілограма знову відкриють камеру і приймуть вагу для нового зважування, яке може дати нові сюрпризи.
Ті, хто змінюється
Він відображає інтенсивність електричного струму і названий на честь фізика Андре-Марі Ампера. Його величина виражається в кулонах в секунду, але тепер ви хочете виразити це через електричний заряд електрона.
Родимка хоче бути перевизначена, щоб виразити константу Авогадро, одиницею виміру якої є кількість атомів вуглецю 12, що містять 12 грамів цієї речовини. Крот вимірює кількість речовини.
Він був створений Вільямом Томсоном, першим бароном Кельвіном, в 1848 році на основі градусу Цельсія, встановивши нульову точку на рівні -273,15 ° C. Тепер ви хочете використовувати константу Больцмана, яка пов’язує енергію та температуру.
Ті, що залишились
Він пройшов шлях від вимірювання як функції металевого прутка, що зберігається в BIPM, до вираження як функції константи природи, яка не змінюється. Зараз відстань, яку проходить світло за період, який майже в 300 мільйонів разів коротший за одну секунду.
Перші його визначення базувалися на русі Землі відносно Сонця. Він пройшов довгий і складний процес перевизначення, який завершився в 1967 р. Другим, обчисленим за місячними циклами з атомними годинниками.
Вимірює інтенсивність джерела світла. Він був сформульований в 1949 році на основі світла, випромінюваного квадратним сантиметром чистої платини в твердому стані при температурі точки її плавлення, розташованої при 1776 ° C.