20 мая начнет действовать новая редакция определений основных единиц системы измерения (СИ). С сегодняшнего дня семь основных единиц: метр, ампер, кельвин, кандела, секунда, моль и килограмм — привязаны к фундаментальным физическим константам — постоянной Планка, элементарному электрическому заряду, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро.
Килограмм, вероятно, наиболее яркий пример того, насколько необходим переход от старой системы к новой.
С 1889 года эталоном килограмма является цилиндр высотой 39 миллиметров и диаметром 39 миллиметров, изготовленный из 90% платины и 10% иридия. Этот килограмм хранится недалеко от Парижа и является стандартом. Также существуют официальные точные копии образца, которые хранятся во многих странах.
По мнению ученых, эталон, сделанный из платиново-иридиевого сплава, безвозвратно потерял часть своих атомов, а вместе с ними и точность. За 100 лет сравнения прототипа с его копиями появилось постепенно увеличивающееся расхождение на 50 микрограммов, что примерно равно массе крыла мухи. По общему признанию, не так и много, но тем не менее расхождение очевидно. Поэтому в 2018 году на конференции Международного бюро мер и весов было принято решение о переопределении эталона килограмма.
Чтобы обойтись без определения исходного килограмма, эксперты Международного бюро мер и весов в ноябре 2018 года попытку создания кремниевого эталона и в итоге получили кристалл с чистотой 99,994%. По массе сфер и количеству атомов можно определить массу одного атома 28Si. Однако в мире атомов классическая физика больше не действует — здесь работает квантовая механика. С помощью соответствующих уравнений постоянная Планка может быть определена из массы атомов и других известных естественных постоянных.
решили использовать постоянную Планка, величину электромагнитного эффекта. Но какое числовое значение имеет постоянная Планка? Чтобы прояснить это, были проведены два разных эксперимента. Суть одного из них состояла в том, чтобы уравновесить вес массы электромагнитной силой таким образом, чтобы взвешивающий объект плавал. Электромагнитный эффект, в свою очередь, приводит к постоянной Планка. Соответствующие измерения были сделаны в Национальном институте стандартов и технологий в США.
В другом эксперименте использовались сферы из кремния изотопа 28Si. Из монокристалла чистого кремния, изготовленного в Берлинском институте выращивания кристаллов, были отшлифованы идеально круглые сферы диаметром 93,7 миллиметров. Кремний удобен тем, что темп потери атомов для него хорошо определяется. Поэтому ученые предприняли
Таким образом, оба эксперимента дали почти одинаковые результаты, и ученые выбрали путь для переопределения килограмма на основе постоянной Планка.
«Для граждан ничего не меняется, для них 20 мая будет таким же так же, как и днем ранее, — говорит Дженс Саймон, ученый из Брауншвейгского физико-технического института. — А для науки и высоких технологий этот шаг является большой победой. Для метрологов открывается дверь в рай».
Один из «райских» примеров от Саймона — оптические атомные часы, которые могут определять время примерно в 100 раз точнее, чем обычные атомные часы. Высокоточные оптические атомные часы, используемые на спутниках, могут значительно повысить точность навигации, сообщает Tagesspiegel.