Новый эталон килограмма был изменен в метрической системе впервые за 130 лет

20 мая начинает работать новая редакция определений основных единиц системы измерения (СИ). С этой даты семь основных единиц: ампер, метр, кельвин, секунда, кандела, килограмм, моль привязаны к фундаментальным физическим константам – постоянной Больцмана, постоянной Планка, постоянной Авогадро, элементарному электрическому заряду. В качестве яркого наглядного примера того, насколько нужен переход от старой системы к новой можно привести килограмм.

Эталоном килограмма с 1889 года выступает цилиндр, изготовленный из 90% платины и 10% иридия, диаметром 39 миллиметров и высотой 39 миллиметров. Этот килограмм, хранящийся под Парижем, является стандартом, и он не единственный существующий. Во многих странах мира хранятся точные копии образца 18 века, являющиеся официальными.

• «Потеря» эталона части атомов и увеличение погрешности
• Эксперимент № 1 — уравновешивание веса массы электромагнитной силы
• Эксперимент № 2 — создание кремниевого эталона
• Переопределение килограмма на основе постоянной Планка

«Потеря» эталона части атомов и увеличение погрешности

Ученые едины во мнении, что эталон, который был сделан 130 лет назад, навсегда лишился части своих атомов, и, соответственно, и точности.

Как признали во всем мире, это расхождение не такое и существенное, но все же оно есть. По этой причине в ноябре 2018 года на конференции Международного бюро мер и весов принимается решение о переопределении эталона килограмма.

Во избежание определения исходного килограмма эксперты Международного бюро мер и весов приняли решение использовать постоянную Планка, величину электромагнитного эффекта. Для выяснения числового значения постоянной Планка были проведены 2 разных эксперимента.

Эксперимент № 1 — уравновешивание веса массы электромагнитной силы

Суть эксперимента №1 заключалась в уравновешивании веса массы электромагнитной силы так, чтобы взвешивающий объект плавал. В свою очередь электромагнитный эффект приводит к постоянной Планка. В США в Национальном институте стандартов и технологий были сделаны соответствующие измерения.

Эксперимент № 2 — создание кремниевого эталона

В эксперименте №2 использовались сферы из кремния изотопа 28Si.

Из монокристалла чистого кремния, который был изготовлен в Берлинском институте выращивания кристаллов, были отшлифованы сферы идеально круглой формы диаметром 93,7 миллиметра.

По количеству атомов и массе сфер можно вычислить массу одного атома 28Si. Но в мире атомов классическая физика больше не работает, так как это сфера квантовой механики. Посредством соответствующих уравнений постоянная Планка может быть определена из массы атомов и иных известных естественных постоянных.

Переопределение килограмма на основе постоянной Планка

Итак, эти два эксперимента привели к почти одинаковым результатам, и ученые выбирают направление для переопределения килограмма на основе постоянной Планка.

Дженс Саймон, ученый из германского Брауншвейгского физико-технического института сказал следующее: «Для граждан ничего не меняется, для них 20 мая будет таким же, как и днем ранее. А для науки и высоких технологий этот шаг является большой победой. Для метрологов открывается дверь в рай». Саймон также привел один из примеров «рая» — это оптические атомные часы, которые способны установить время примерно в 100 раз точнее, чем стандартные часы. Оптические атомные часы, обладающие высокой точностью, которые используют на спутниках, могут существенно повысить точность навигации.