Метод замены стандартной платиновой гири весом в один килограмм

Неудобство использования международного стандарта веса в один килограмм ИПК заставило ученых искать другие, более простые способы измерения.

Платиновый эталон гири весом в один килограмм в Париже, Франция. Фото: BIPM.

По данным Business Insider, гиря IPK представляет собой платиновую гирю цилиндрической формы высотой 3,81 см. В настоящее время она хранится в трёх концентрических стеклянных контейнерах, вложенных друг в друга, в хранилище за пределами Парижа, защищённом от пыли и других воздействий, которые могут её деформировать.

Все весы в мире, включая те, что измеряют в фунтах, основаны на этом стандарте веса, установленном Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). Однако он может быть изменён.

«Проблема с парижской гирей в том, что она настолько драгоценна, что люди не хотят ею пользоваться», — сказал Стефан Шламмингер, физик из Национального института стандартов и технологий в Мэриленде. Даже при касании её пальцами на ней остаётся масло, что немного меняет её вес. Её редко оставляют на улице и никогда не переносят.

Люди, которым важна точность измерения массы килограмма, например, химики и физики, часто используют копию ИПК для калибровки своих измерительных приборов. Проблема в том, что массы копий также различаются при сравнении.

Вот почему в 2005 году Международный комитет мер и весов предложил найти другой способ определения массы килограмма, не связанный с конкретным физическим объектом, а с фундаментальными свойствами природы, которые можно было бы легко воспроизвести в лабораториях по всему миру.

После некоторой задержки международное сообщество метрологов решило использовать математические методы для переопределения килограмма. Они использовали постоянную Планка – величину, связывающую частоту волновых колебаний частицы с её энергией. Используя знаменитое уравнение Альберта Эйнштейна E=mc², учёные смогли преобразовать эту энергию в массу. Другими словами, исходя из математического соотношения между частотой частицы и её весом, они смогли определить массу через частоту частицы, а не через конкретный объект.

Однако это всего лишь теория. Поскольку постоянная Планка очень мала и пока не имеет точного значения, выполнение приведённого выше расчёта займёт много времени. Фактически, учёные не надеются завершить расчёт до 2018 года.

Национальный институт стандартов и технологий разработал специальное поколение приборов для измерения постоянной Планка. Как и многие другие величины в квантовой физике и теории относительности, постоянная Планка измеряется с некоторой неопределённостью.

Новейший прибор NIST-4 уже собрал первые данные. Согласно статье, опубликованной в июньском номере журнала Review of Scientific Instruments за 2016 год, погрешность измерения может составлять 34 части на миллиард. Это сопоставимо с показателями других исследовательских групп. Они надеются снизить погрешность до 20 частей на миллиард, совершенствуя свои экспериментальные процедуры.

Учёные по всему миру также пытаются уточнить свои измерения этой константы. Группа из Национального исследовательского совета Канады, используя метод, аналогичный методу группы из Мэриленда, получила значение 19 частей на миллиард. Результаты других групп будут опубликованы в ближайшие месяцы.

После того, как все исследовательские группы представят свои оценки постоянной Планка, компьютерная программа, используя эти данные и сложную статистическую программу, определит наилучшее значение. Это значение будет использовано для точного определения килограмма. Помимо массы, потребуется переопределить более 20 других единиц измерения, включая давление, магнетизм и электрический заряд – все единицы основаны на килограмме.

По данным VNE