Эталоны единиц физических величин

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 

Мир полон удивительных вещей, утверждал один из персонажей фантастической повести Аркадия и Бориса Стругацких «Стажёры», — и был совершенно прав. Чтобы встретиться с чем-то удивительным, не обязательно лететь в космос или спускаться в недра земли. Иногда бывает достаточно приглядеться к вещам, которыми мы пользуемся ежедневно, если не ежечасно. Сегодня мы расскажем о таких вещах (точнее — о мерах вещей), привычнее и обыденнее которых трудно себе представить. А уж удивительна их история или нет — решайте сами.

Эталоны единиц физических величин

Дитя революции

Что такое килограмм? Странный вопрос, скажете вы. Это единица измерения веса. Единица измерения массы, поправят те, кто ещё помнит школьный курс физики. Потому что масса тела не меняется, а вес зависит от силы тяжести. На Земле человек массой 70 килограммов действительно весит 70… только не килограммов, а ньютонов. Ведь вес — это сила, с которой тело давит на поверхность, а сила измеряется в ньютонах.
На Луне вес человека (так же, как любого предмета) уменьшится в шесть раз, потому что сила тяжести там в шесть раз меньше. На Юпитере же, где сила тяжести в 2,5 раза больше, чем на Земле, человек массой 70 килограммов будет весить 175 ньютонов; нелегко придётся бедняге! Зато на орбите, в невесомости, 70-килограммовый космонавт не будет весить вообще ничего и сможет насладиться свободным парением.
Вернёмся, однако, к единице измерения массы — килограмму. Он «появился на свет» во Франции больше 200 лет назад. Учёные разных стран уже тогда работали над созданием единой международной системы измерения массы, времени, размера или, скажем, яркости освещения.
В 1793 году знаменитый французский естествоиспытатель Антуан Лавуазье предложил в качестве эталона измерения массы 1 кубический дециметр чистой воды при температуре плюс 4 градуса Цельсия. На Земле значения массы и веса тела практически совпадают, поэтому Лавуазье дал этой единице измерения название grave (от латинского gravitas — вес). Таким образом, килограмм первоначально назывался грав.
По иронии судьбы, grave является синонимом слова «могила» — правда, не на французском, по-французски могила tombe, но на английском, итальянском, норвежском и ещё ряде европейских языков. В результате Великой французской революции в могиле оказались и сам Лавуазье, и его эталон массы. Лавуазье был казнён по обвинению в «заговоре против французского народа», a grave «похоронили» за то, что это название было «слишком аристократичным».
Между тем без названия для единицы массы/веса обойтись было никак нельзя. Новое правительство республики придумало gramme (грамм), который составлял ровно одну тысячную «упокоенного» grave. Однако грамм оказался слишком мал для использования в повседневных нуждах. И правительство снова нашло выход — вернуло грав, но уже под другим названием — килограмм, то есть грамм с приставкой «кило», что означает «тысяча». Так килограмм и сделался одной из основных единиц СИ (Международной системы единиц), которой мы пользуемся в настоящее время.
После водяного «кубика» в качестве килограммового эталона стал использоваться тщательно выверенный по размерам цилиндр из сплава платины и иридия. Вещь, казалось бы, на века… Ан нет, точные измерения веса драгоценного цилиндра показали, что со временем он хоть и на ничтожную долю, но изменяется. А значит, и он не может служить эталоном. Но об этом — ниже.

Не думай о секундах свысока…

Такая привычная для нас единица измерения времени, как секунда, появилась также относительно недавно, в XVI веке. То есть появилось практическое понятие секунды как 1/60 части минуты, но не возможность её точного измерения.
Между тем в секундах назрела серьёзная необходимость — в первую очередь у мореплавателей. Географическую широту к тому времени уже научились определять достаточно точно (по углу подъёма Солнца над горизонтом), а вот с определением долготы были серьёзные проблемы, приводящие иногда к потере курса и даже гибели кораблей. Казалось бы, чего проще: возьми с собой из Гринвича («нулевой меридиан») часы и посмотри, насколько полдень по этим часам будет отличаться от местного полдня. Но, поскольку даже самые хорошие часы того времени не могли сохранять точность хода до секунды, грамотно измерить долготу получалось не всегда.
Проблема была признана настолько серьёзной, что британское Адмиралтейство в 1714 году объявило за её решение награду в 20 тысяч фунтов. Но эта сумма долгое время оставалась невостребованной.
Попытки создать точные часы «с секундным ходом» — отдельная тема. Здесь мы лишь упомянем, что первый морской хронометр был создан английским часовщиком Джоном Гаррисоном в 1730 году. Но и этот сверхточный по тем временам прибор за время плавания из Англии на Ямайку отстал на пять секунд.
Вернёмся к определению секунды как 1/60 части минуты, или 1/86400 части суток. Для эталона секунды в середине XX века был выбран «интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». При этом атом цезия-133 должен находиться в состоянии покоя, что возможно лишь при «абсолютном нуле температур».
В отличие от хронометра Джона Гаррисона современные атомные часы могут отстать на 1 секунду лишь за 316 тысяч лет… И это в худшем случае.

Метр — понятие растяжимое?

Как ни странно, да. Во-первых, в теории относительности Эйнштейна. Во-вторых, на практике, даже если иметь в виду эталон метра.
При движении со скоростями, близкими к скорости света, с линейными размерами движущегося объекта происходит «что-то странное» с точки зрения стороннего наблюдателя. Если смотреть со стороны, то чем выше скорость, тем короче становится объект — причём сам этот объект никаких изменений не ощущает. Со временем, кстати, также происходят изменения: часы на борту космического корабля показывают меньший интервал прошедшего времени, чем часы земного наблюдателя.
Но оставим в стороне происходящее на околосветовых скоростях; пусть там метр укорачивается, а секунда удлиняется. У нас-то на Земле метр должен оставаться вечным и неизменным? По крайней мере материальный эталон метра?
В конце XVIII века Французское национальное собрание поручило специальной комиссии в составе видных учёных того времени разработать эталонную единицу длины. Комиссия выбрала величину, равную одной сорокамиллионной длины меридиана, проходящего через Парижскую астрономическую обсерваторию, и назвала её метром. При этом комиссия предполагала, что наша планета имеет форму идеального шара.
Были изготовлены несколько эталонов — железные и платиновые стержни с метками, расстояние между которыми составляло один метр. Платиновые стержни поместили в Архив Французской республики. Даже когда выяснилось, что Земля вовсе не идеальна по форме, эталоны менять не стали. Лишь в 1872 году Международная метрическая комиссия постановила изготовить новые платино-иридиевые прототипы метра. Причём с особыми требованиями: середина стержня не должна была прогибаться от собственной тяжести. А то какой же это будет эталон длины?…
Именно эта, существующая в теории, угроза «прогиба» и заставила учёных искать иной, «нематериальный» эквивалент длины. В 1894 году американский физик Альберт Майкельсон в сотрудничестве с французом Полем Бенуа сравнили металлический эталон метра с длиной волны красного кадмиевого света. Оказалось, что длина эталона равна 1553163,5 длины волн красного кадмиевого света при 15°С и давлении 760 мм ртутного столба. А десять лет спустя повторный эксперимент при тех же условиях дал несколько иное значение: 1553164,13 длины волн. Это означало, что длина платиноиридиевого эталона метра может меняться, пусть и незначительно. Значит, как и в случае с килограммом, иридий и платина не годятся для «эталонного» образца? Что же делать?

Уход от материального

Платиноиридиевые эталоны килограмма и метра хранились в «Международном бюро мер и весов» в Париже, в специальном помещении.
Несколько десятков их точных копий имелись и в других странах мира (в том числе в России), и хранили их в столь же строго контролируемых условиях.
Однако, когда в 1948 и в 1990 годах эталоны килограмма собрали вместе для контрольного взвешивания, выяснилось, что они изменяются со временем. Разница составила примерно 50 микрограммов и, что самое неприятное, имела тенденцию увеличиваться. Для бытовых целей 50 мкг — мелочь, но не для международного эталона. Таким образом, ни платиноиридиевый килограммовый цилиндр, ни платиноиридиевый метр не выдержали испытания на «эталонность».
А между тем килограмм и метр являются двумя из семи основных единиц принятой в большинстве стран международной системы СИ. В СССР система СИ была на государственном уровне введена 1 января 1963 года как обязательная во всех областях науки и техники.
Международный комитет мер и весов долгие годы работал над введением новых эталонов основных единиц СИ, чтобы освободить их от «материальности». Окончательное решение было принято 20 мая 2019 года. Согласно ему, для 1 килограмма и 1 метра найдены новые, невещественные эквиваленты. Метр «привязали» к одной из фундаментальных физических констант, скорости света в вакууме. Теперь 1 метр — это расстояние, проходимое светом за 1/299792458 секунды.
С килограммом всё несколько сложнее. Ещё пять лет назад предлагалось в качестве килограммового эталона использовать сферу из кристалла Крем-ния-28 (проект «Авогадро»). Однако Международный комитет мер и весов по разным причинам отклонил этот проект и после долгих обсуждений связал килограмм с другой основной физической константой — постоянной Планка. Постоянная Планка — это энергия, которую несёт в себе самая маленькая «порция» света — квант. Связь между постоянной Планка и килограммом объяснить не так просто, как связь метра и скорости света в вакууме. Но учёным виднее.

Журнал: Тайны 20-го века №49, декабрь 2019 года
Рубрика: Неизвестное об известном
Автор: Ольга Строгова

Метки: Франция, Тайны 20 века, Париж, физика, время, вес, константа, эталон, величина, длина, мера, килограмм, секунда, метр




Исторический сайт Багира Гуру, история, официальный архив (многое можно смотреть онлайн, не Википелия); 2010 — . Все фото из открытых источников. Авторские права принадлежат их владельцам.