События / метрология

26-я Генеральная конференция по мерам и весам одобрила отказ от материального международного эталона килограмма. Теперь масса килограмма будет определяться через постоянную Планка с помощью довольно сложного прибора под названием «весы Киббла». Россия не будет покупать этот прибор за рубежом, в Росстандарте готовится проект отечественного варианта весов Киббла, разработка и изготовление которых даст дополнительный импульс развитию российских высокоточных технологий и апробации новых современных технических решений.

Постоянный килограмм

Эталон килограмма — цилиндр, сделанный из платино-иридиевого сплава, хранящийся в Международном бюро мер и весов во Франции, решено заменить. Теперь единицу массы будут определять с помощью постоянной Планка. Что это такое и зачем это нужно, рассказывают Александр Максимычев, заведующий кафедрой общей физики МФТИ, и Андрей Батурин, директор Всероссийского НИИ оптико-физических измерений.

Идея сделать нерукотворный эталон килограмма возникла давно, потому что все, что сделано руками человека, несовершенно и служит ограниченное время. А эффекты природы универсальны и могут быть воспроизведены где угодно во Вселенной.

Постоянная Планка характеризует квантовый характер явлений микромира, задает масштаб дискретности, например, уровней энергии или «ячеек» фазового пространства в микромире. Это естественное мерило, естественный эталон для микроскопических объектов: электронов, атомов. Постоянная Планка задает калибр для микромира во многих областях. Например, энергия фотона пропорциональна частоте, и пропорциональность задается постоянной Планка.

Вот и было решено на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам отныне определять килограмм через постоянную Планка, но для этого понадобился высокоточный прибор — весы Киббла.

Ватт-весы, или весы Киббла

Этот сложный и точный прибор предназначен для взвешивания без гирь. Весы названы в честь британского ученого Киббла, предложившего такой метод.

В обычных весах есть две чашки, на одну кладут взвешиваемый объект, например, сахар, на вторую калиброванные гирьки, то есть известной массы. С точки зрения физики в гравитационном поле Земли мы уравновешиваем две силы тяжести, действующие на гирьку и на сахар.

Но силу тяжести можно уравновесить с помощью другой силы. И весы Киббла — это тоже весы, очень сложной конструкции, но весы. На одной чашке размещается груз, и на него действует сила тяжести. А вместо второй чаши весов — электромагнитная катушка, которая создает магнитную силу. Магнитное поле катушки взаимодействует с полем постоянного магнита, и эта магнитная сила уравновешивает силу тяжести, действующую на взвешиваемый объект.

Это очень похоже на токовые весы (ампер-весы), когда измеряют величину электрического тока в катушке и определяют магнитную силу. Однако в весах Киббла (ватт-весах) сделан важный шаг к повышению точности. Для того чтобы исключить погрешность, обусловленную геометрией катушки, измеряют напряжение электромагнитной индукции при движении катушки с постоянной скоростью в том же самом магнитном поле, что и при «взвешивании». Скорость катушки при этом измеряют при помощи высокоточного интерферометра. Напряжение и ток сейчас ученые умеют очень точно измерять, используя квантовые эффекты: квантовый эффект Холла и эффект Джозефсона.

Дальше нужен абсолютный гравиметр, чтобы знать ускорение свободного падения в том месте, где размещается установка. Произведение массы и ускорения свободного падения — это действующая сила тяжести в данной точке.

В итоговой формуле расчета массы по весам Киббла кроме измеренных (см. выше) величин входит одна фундаментальная константа — постоянная Планка.

Когда килограмм был определен через эталонную гирю, весы Киббла использовали для наиболее точного измерения постоянной Планка. Теперь же, приняв (зафиксировав) значение постоянной Планка равным 6,62607015 на 10 в минус 34 степени Дж*сек, можно использовать весы Киббла для взвешивания.

Знак после запятой

Может показаться, что существующие сейчас эталоны, включая государственный первичный эталон, станут не нужны. Это не так. Переход к новым определениям единиц СИ позволяет изменить конструкцию первичных эталонов, сделав их точнее и избавив от «артефакта», произведенного человеком. Теперь любая квалифицированная лаборатория, обладающая достаточными финансами, может воспроизвести единицу с высокой точностью на самом передовом уровне. Однако если точность отдельных элементов и узлов не будет достаточной, то установка, построенная по принципу весов Киббла, не обеспечит ожидаемую «высшую точность». Поэтому для обеспечения единства измерений в стране, для того чтобы все измерения проводились в одних единицах с ожидаемой точностью, требуется сохранять и совершенствовать систему эталонов. Кроме того, весы Киббла — очень недешевое удовольствие, и для калибровки массово применяемых рабочих средств измерений подойдут эталоны попроще, которые используются и сегодня. А «высшая точность» окажется востребована современными высокими технологиями в науке и промышленности.

Возникает вопрос: если каждый может сделать эталон, по точности не уступающий первичному, то как быть в ситуации, когда результаты воспроизведения килограмма на двух эталонах получатся различными?

Для этой цели метрологи всего мира проводят международные сличения, когда один и тот же объект «взвешивают» на первичных эталонах разных государств и сравнивают результаты. Если у кого-то результат слишком сильно отклоняется от общего среднего, скорее всего, в работе этого эталона есть неточности и он требует настройки. Государства, успешно завершившие международные сличения, начинают признавать измерительные и калибровочные возможности друг друга по данному виду измерений, а сведения об этом заносятся в базу данных Международного бюро по мерам и весам.

Весов Киббла в России пока нет. На 2015 год (более поздних сводных официальных данных нет) действующие или находящиеся в высокой степени готовности к измерениям весы Киббла имелись в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), Федеральной службе метрологии Швейцарии (METAS), Институте национальных измерительных стандартов при Национальном исследовательском совете Канады (NRC-INMS), Национальной лаборатории метрологии и испытаний Франции (LNE), Национальном институте метрологии Китая (NIM), лаборатории Бюро стандартов Новой Зеландии (MSL) и Корейском институте эталонов и науки (KRISS, Южная Корея). Они и стали первыми обладателями нового килограмма.

Сейчас Росстандарт готовит проект по созданию российских весов Киббла, которые нужны и по объективным причинам, и из соображений государственного престижа. Кроме того, это возможность испробовать новые технологии для российских высокоточных производств, так как в конструкции весов применяются самые современные технические решения. Кстати, небольшой запас времени еще есть, в ноябре в Версале только проголосовали за «новый килограмм», а официально решение вступит в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

Татьяна Небольсина