В науке кончилась эпоха, а мы и не заметили№1–2 (890) 11 — 17 января 2019 г.
https://www.2000.ua/v-nomere/d ... i.htm
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 килограммОтход 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, школьникиНа 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, ВселеннаяЧто 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.
https://www.2000.ua/v-nomere/d ... i.htm
