Прощай, Le Grand K: килограмм решили переопределить впервые за 130 лет

С прошедшего понедельника килограмм переопределён. Теперь в дефиниции не используется ни один материальный объект, в отличие от того, как это было раньше. На смену платиновому цилиндру пришло определение через физическую константу — постоянную Планка, которая, в противоположность Le Grand K, остаётся неизменной в любую эпоху.

История единиц измерений и эталонов мер и весов почти столь же стара, как мир.

Давным-давно, в феодальной Европе значение фунта устанавливал каждый феодал по-своему, так что к началу XVIII века в Европе уже существовало более ста разных «эталонов» фунта. Примерно так же дело обстояло и с другими единицами измерений. Это очень сильно затрудняло торговлю — например, часто продавцы не знали точно, сколько они должны отдать товара и как его отмерить, и поэтому могли продешевить на сделке.

«Ликвидировать это безобразие» взялась Великая французская революция. Для решения проблемы французы придумали собственную систему мер — гораздо более простую, понятную и надёжную: метрическую. Основная идея этой системы состояла в том, что преобразование всех единиц измерения сводится к простому умножению или делению на степень числа 10. Первой единицей, принятой 30 марта 1791 года, стал метр. Его эталоном стала одна десятимиллионная доля одной четверти Парижского меридиана от Северного полюса до экватора.

7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие учёные, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. Тогда же во Франции было утверждено и официальное определение грамма, новой единицы массы, под которой стали понимать вес кубического сантиметра чистой воды, находящегося при температуре 0 °C. Позже, однако, в результате кропотливых исследований химик Луи Лефёвр-Жино и натуралист Джованни Фабброни уточнили условия наиболее стабильного состояния воды. По мнению учёных, наибольшей плотностью и, следовательно, устойчивостью вода обладала при температуре 4 °C. Полученные результаты были учтены в 1799 году в процессе переопределения килограмма.

Метрическая система оказалась настолько хороша и удобна, что, уже после реставрации Бурбонов и после Революции 1830 года, декретом, изданным 4 июля 1837 года, была объявлена как обязательная для использования на территории Франции. А её усовершенствованный вариант — Международная система единиц, СИ (от французского Le Système International d’Unités) вскоре начала использоваться в остальном мире.

В 1875 году представителями семнадцати государств (Россия, Германия, США, Франция, Италия и др.) была подписана Метрическая конвенция (фр. Convention du Mètre), в соответствии с которой были созданы Международный комитет мер и весов (фр. Comité International des Poids et Mesures, CIPM) и Международное бюро мер и весов (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIPM), а также предусмотрен регулярный созыв Генеральных конференций по мерам и весам (ГКМВ) (фр. Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM). Были начаты работы по разработке международных эталонов метра и килограмма.

Несмотря на то, что новая система единиц основывалась на свойствах Земли, существовали эталонные метр, килограмм и другие меры. Le Grand K, цилиндрический эталон килограмма, был отлит в Лондоне в 1889 из платины (90 %) и иридия (10 %) и затем хранился в помещении Международного бюро мер и весов. Страны, подписавшие конвенцию, получили точные копии Le Grand K. Раз в сорок лет этот цилиндр, а также его локальные копии, доставали, чтобы откалибровать и почистить.

В ноябре 2018 года на 26 Генеральной конференции по мерам и весам (26th General Conference on Weights and Measures) в Версале было принято решение переопределить четыре основные единицы системы СИ, чтобы людям больше не требовалось пользоваться предметами-эталонами. Поэтому на смену материальному определению килограмма пришло теоретическое, выраженное через постоянную Планка (к слову сказать, метр в 1983 году был определён через скорость света, как длина пути, проходимого светом в вакууме за (1/299 792 458) секунды). В отличие от физического объекта, теоретическая мера не меняется со временем, в то время как Le Grand K за всю свою историю существования потерял 50 мкг массы.

На самом деле метрологи уже давно, ещё с 1900-х годов, хотели дать более надёжную дефиницию килограмму. Среди попыток недавних лет можно вспомнить «Проект Авогадро». В данном опыте килограмм определили через сферу из кремния, материала, структура которого хорошо известна, и который можно синтезировать с высокой чистотой. Из него, полагаясь на число Авогадро и единицу измерения моль, синтезировали идеальный сферический килограмм. Этот метод — воспроизводим, но технология чрезвычайно дорога, и, помимо прочего, такое определение не вошло в систему СИ.

Другое измерение, через постоянную Планка (значение, которое соотносит энергию и частоту света), как раз и заменило платиновый цилиндр в этот понедельник. За последние годы появился способ с большой точностью определить значение этой константы — до двадцати миллиардных долей, с помощью весов Киббла.

Условием изменения официального определения килограмма было проведение минимум трёх экспериментов с весами Киббла, при этом, сходимость результатов двух из них должно быть 2 × 10^-8, и одного методом Авогадро — и расхождение результатов, полученных по первому методу, с этими не должно превышать 5 × 10^-8. Можно, конечно, было ограничиться только весами Киббла, но не исключено, что в метод бы закрался дефект и измерения вышли бы неточными.

Также с этого понедельника моль определяется через постоянную Авогадро, кельвин — через постоянную Больцмана, а ампер — через значение элементарного заряда.

Само по себе изменение определений носит довольно формальный характер, но тот факт, что учёные могут теперь измерять постоянные с удивительной точностью, может подтолкнуть научное сообщество к новым открытиям.