Участники 26-ой Генеральной конференции по мерам и весам, которая проходила 13-16 ноября 2018 года в Париже, приняли историческое решение: переопределить сразу четыре из семи основных единиц Международной системы единиц измерения (СИ) — килограмма, ампера, кельвина и моля.
На предыдущем этапе обновления международной метрической системы СИ были утверждены новые стандарты секунды, канделы и метра.
С этого момента все единицы системы СИ привязаны не к материальным объектам, а к фундаментальным физическим константам (таким как: скорость света, заряд электрона и др.) и будут определяться универсальными формулами, основанными на принципах квантовой физики. Исполнение решения конференции отложено до 2020 года и его вступление в силу отнесено к празднованию Всемирного Дня Метрологии - 20 мая. Аналогичная судьба постигнет и следующие единицы измерения: ампер, кельвин и моль. Все они получили новые математические определения, связанные с зарядом электрона, постоянной Больцмана и числом Авогадро.
Эталон килограмма оставался до решения конференции одной из немногих фундаментальных единиц системы СИ, которая определялась не через физические константы, а через реальный физический объект - платиново-иридиевый цилиндр, который был впервые изготовлен в 1889 году и хранился в парижском бюро мер и весов.
С использованием этого артефакта в 1892 году были изготовлены 42 специальные копии эталона, которые хранились в разных странах (одна копия эталона килограмма хранится и сейчас в России).
За более чем 110 лет со дня изготовления первого образца все копии и первоначальный образец подверглись необратимым физическим изменениям. Одни стали весить несколько больше, другие- меньше. Метрологи были не в состоянии объективно оценивать происходившие изменения с главным эталоном и его хранимыми копиями.
Почему это было не возможно? Причин много и самых разных, например, эффект испарения сплава или наоборот поглощение каких-то атомов из воздуха. Но самое главное, непонятно, насколько изменилась масса главного эталона, ведь теперь копии не с чем сравнить. Вроде бы 50 микрограмм мизер, но в современном мире, где появилось множество технологий, где требуется высочайшая точность, это может привести к серьезным ошибкам и даже системным кризисам. И виноват в этом материальный эталон килограмма, ведь он является одной из основных единиц в международной системе измерений, с ним связаны многие электрические и магнитные величины, а также почти все механические - давление, плотность и т д.
Поэтому в 2011 году было решено уйти от материального объекта и привязать килограмм к физическим константам.
Как это было реализовано? Один вариант разработан немецкими учеными совместно с российскими коллегами из нижегородского Института химии высокочистых веществ РАН. Суть в следующем. В шаре диаметром 98 миллиметров из чистейшего кремния с помощью постоянной Авогадро рассчитывается, сколько должно быть атомов кремния, чтобы вес шара составил один килограмм.
Такую сферу сможет легко воспроизвести любой национальный метрологический институт. Для реализации другого варианта эталона килограмма применены весы Киббла, названные по имени их изобретателя. В таких весах груз на одной чашке весов уравновешивают электромагнитные силы, которые действуют на другую чашку. Есть формула, которая связывает эти силы. Именно в электрической части уравнения, где есть данные тока, напряжения и других электромагнитных параметров, "прячется" постоянная Планка.
Не вдаваясь в подробности определения, можно сказать, что математический эталон килограмма звучит так: это масса, при которой постоянная Планка точно равна 6, 62606 умноженная на 10 в минус 34-ой степени джоуль в секунду.
Благодаря новому определению килограмма, каждая страна сможет воспроизводить эталонную установку самостоятельно в любое время, не прибегая к сверке с главным эталоном. Точность измерения составляет всего 12 частей на миллиард.
