Самым правильным килограммом будет считаться круглый

Это будет шар, не имеющий аналогов. Материал – кристалл из абсолютно чистого изотопа кремния. Форма – самая идеальная сфера в мире. Но самое главное – вес. Он будет составлять ровно один килограмм и станет эталоном для всех весов на планете. Этот проект стоимостью в несколько миллионов долларов сейчас вступает в финальную стадию. Кремниевый кристалл уже создан совместными усилиями русских и немцев. Ученые и инженеры Австралии приступают к выточке идеального шара.
Гиря мирового масштаба

Казалось бы, какая банальность – килограмм. Его запросто может отмерять любая продавщица с семью классами образования. Это вам не всякие слова с "нано" или "мега", о которых сейчас так модно говорить.

Но даже в наше время ученым необходимо иметь точный эталон массы. Расхождение в оценке килограмма даже на тысячную долю процента приведет к уйме проблем. Представьте, что в Украине килограмм понимают одним образом, а в Казахстане чуть-чуть другим. И две эти страны решили совместно построить авиалайнер или атомную электростанцию. Вы бы согласились полететь на таком самолете или жить неподалеку от подобной АЭС?

Вопрос о "правильном" килограмме был решен в конце XIX века. До этого времени за эталон килограмма принимали массу одного литра чистой воды при температуре 4°С и стандартном атмосферном давлении. Но это было не до конца удобно хотя бы потому, что определение массы завязывалось на давление, а то, наоборот, – на массу.

В конце XIX века было решено найти какой-то более точный и независимый эквивалент. Из сплава платины и иридия сделали "образцовый" цилиндр. С 1889 года он хранится в Международном бюро мер и весов неподалеку от Парижа в специальном подвале, куда попасть могут только избранные. Эту гирьку, спрятанную под несколькими стеклянными колпаками, многие помнят по школьным учебникам физики.

Через несколько лет после изготовления первого эталона было сделано еще несколько десятков копий, которые передали крупнейшим державам мира. К этим эталонам отнеслись с большим пиететом даже в тех странах, где до сих пор предпочитают измерять массу фунтами. Например, в США контейнер с образцовой гирькой был вскрыт в 1890 году на торжественной церемонии в Белом доме. Англичанам досталась гирька под номером 18, и в Великобритании эталон массы часто называют "килограмм-18".

Сверка национальных весов

Поддержка правильных единиц измерения – это сложный процесс с хитрой физикой, математикой и бюрократией. В республиках бывшего СССР за него отвечают комитеты по метрологии, палаты мер и весов, а также специальные научные институты.

Периодически метрологи разных стран "сверяют стрелки" – соответствует ли их версия килограмма эталонному варианту. "Конечно, мы используем не тот образец, который хранится во Франции. Он спрятан под семью замками, и к нему практически никого не подпускают", – сообщила нам Тамара Солодуха из Института метрологии Украины. – Мы сверяли с тем эталоном, который, в свою очередь, соотносили с парижским. В последний раз это делалось в 2002 году".

Аналогично поступают и в других республиках. "Мы сравниваем наш эталон с гирями более высокой точности. Правда, напрямую в парижское хранилище не ездим – сверку делаем в Румынии, а вот они свой образец проверяли во Франции", – рассказывает Теодор Бырса, начальник сектора исследований и обновления национальной эталонной базы Института стандартизации и метрологии Молдавии.

"Главные" эталоны массы в республиках бывшего СССР сделаны из специального сплава на основе железа. Только у России есть платиново-иридиевая гирька. "У стального эталона стабильность в три раза ниже. Но на платину с иридием у нас нет средств. Точная цена такого образца мне неизвестна, но это что-то в районе миллиона долларов", – призналась Тамара Солодуха.

Усушка и утруска

Стояла себе та гирька, стояла. Но вот ученые подсчитали, что даже такой стойкий материал, как платиново-иридиевый сплав, постепенно теряет атомы. Не спасает ни чрезвычайно бережное отношение, ни условия хранения – тройной стеклянный купол, бронированный сейф, холодный подвал французского замка.

Любители повздыхать о добрых временах имеют полное право воскликнуть: "Раньше даже килограмм был тяжелее!" В этом и заключается один из парадоксов метрологии – не гирька стала весить меньше (она по-прежнему и есть "правильная" масса), а килограмм слегка похудел.

Насколько уменьшилась масса эталона, точно никто сказать не может. Но даже изменение на тысячные доли процента опасно для мировой метрической системы.

Обеспокоившись "облегчением" эталона, Международное бюро мер и весов провело совещание с участием ведущих экспертов со всего мира. Проходило оно как раз в том же здании в пригороде Парижа, где хранится знаменитая гирька. Было решено найти замену старому эталону. Один из возможных путей – использование нового материала.

Москва – Берлин – Сидней

Изготовление нового эталона килограмма оказалось непростым делом. В этом проекте участвуют десятки научных институтов со всего мира. Бюджет его исчисляется миллионами долларов.

Сначала долго подбирали оптимальный материал. Решено было остановиться на кристалле изотопа кремния-28. Главное его достоинство – однородность структуры. Он, как и платиново-иридиевый сплав, тоже может терять атомы. Но в отличие от сплава этот процесс можно четко просчитывать.

"Необходимо было получить изотоп кремния очень высокой степени очистки. Помощь в этом начинании оказала Россия – на старых, еще советских ядерных оружейных фабриках имеются центрифуги, использовавшиеся для выработки высокообогащенного урана", – пишет портал Membrana.

Полученный материал был передан ученым Германии. Берлинский Институт выращивания кристаллов потратил еще полгода на доочистку материала от примесей, в частности – от других изотопов кремния. В результате кристалл стал содержать не более одного атома "грязи" на каждые 10 млн. атомов кремния.

Получившийся кремниевый цилиндр был доставлен в Австралию. Сейчас в Сиднейском научном центре CSIRO начинается выточка идеальной сферы. Инженеры и ученые обещают, что это будет один из самых круглых шаров на свете. Максимальная погрешность составит 35 нанометров (одна миллиардная часть метра). Австралийцы собираются за год изготовить два идеальных шара диаметром 93 миллиметра.

Шар – штука удобная. В CSIRO утверждают: "Сферическая форма была выбрана потому, что шар не имеет краев, которые могут отбиться или поцарапаться. Кроме того, чтобы оценить объем этого образца, достаточно только одного измерения – диаметра".

Уникальный предмет заменят универсальной абстракцией

На сегодня килограмм – единственная из главных величин международной системы единиц СИ, которая привязана к конкретному эквиваленту, созданному человеком. "Такие эталоны уходят в прошлое. Сейчас нужно ориентироваться на физические модели, можно, например, плясать от веса атомов. А гирька, которая хранится во Франции, и другие эталоны останутся скорее как исторические реликвии", – считает Теодор Бырса из молдавского Института стандартизации и метрологии.

Например, существовал эталон метра, сделанный в те же годы, что и килограмм, и из того же платиново-иридиевого сплава. Но с 1960-го на него перестали ориентироваться. В наше время метр определяется так: расстояние, проходимое светом за одну 299792458-ю долю секунды. В свою очередь секунда – это время, за которое атом цезия совершает 9192631770 колебаний.

Скорее всего, подобная судьба ждет и килограмм. И помочь в этом может создание нового эталона. В пресс-релизе научного центра CSIRO, который вытачивают идеальные шары, сообщается: "Хотя физический эталон еще нужен для калибровки шкал и весов, важно отметить, что число атомов кремния в этом шаре можно точно рассчитать".

Таким образом, участники так называемого Проекта Авогадро надеются вывести стандартизацию массы на новый уровень. Как только количество атомов будет определено, можно перестать ориентироваться на конкретный образец. И тогда килограмм будет определяться не как "масса цилиндра, хранящегося во Франции", а как-то вроде "масса определенного количества атомов кремния-28 в определенных условиях".

Это не единственный проект по поиску самого правильного килограмма. Например, ученые из США пытаются вывести формулу эталона массы на основе энергии и разных физических эффектов.

Но пока ни один из этих амбициозных проектов не завершен. И точно так же, как и сто лет назад, главным килограммом планеты считается блестящий цилиндр, спрятанный неподалеку от Парижа.