Что такое килограмм и почему учёные отказались от металлического эталона

Прежде чем говорить об эталоне килограмма, важно понять, что именно он измеряет. Масса и вес — разные физические величины, хотя в повседневной речи их часто путают.

Масса

Масса — это физическая величина, которая характеризует инертность тела, то есть его сопротивление изменению скорости. Она не зависит от того, где находится объект: на Земле, на Луне или в открытом космосе.

Например, яблоко массой 100 граммов сохранит ту же массу в любом месте. Именно поэтому килограмм является базовой единицей массы в Международной системе единиц (СИ).

Когда бытовые весы показывают число 60, они выводят массу тела в килограммах. На самом деле такие весы измеряют силу, с которой человек действует на них, а затем автоматически пересчитывают её в килограммы с учётом стандартного земного ускорения свободного падения.

Вес

Вес — это сила, с которой гравитация действует на тело. Он измеряется в ньютонах. На Земле ускорение свободного падения составляет около 9,8 м/с², поэтому тело массой 1 килограмм имеет вес примерно 9,8 ньютона. На Луне ускорение свободного падения значительно меньше — около 1,6 м/с², поэтому тот же килограмм будет весить примерно 1,6 ньютона.

Для космонавтов эта разница имеет практическое значение. В условиях невесомости обычные весы не работают так, как на Земле. Чтобы определить массу предмета на орбите, используют инерционные методы — например, измеряют, как тело ускоряется под действием известной силы. Масса остаётся неизменной, а вес зависит от силы притяжения.

Когда наука, промышленность и международная торговля начали быстро развиваться, понадобился единый стандарт массы. Без него килограмм в одной стране мог немного отличаться от килограмма в другой.

Платиново-иридиевый цилиндр в Париже

Международный прототип килограмма (International Prototype of the Kilogram, IPK) представлял собой цилиндр высотой и диаметром около 39 миллиметров. Его изготовили из сплава 90% платины и 10% иридия, который отличается высокой твёрдостью и устойчивостью к коррозии. С 1889 года IPK хранился в Международном бюро мер и весов (BIPM) в Севре — пригороде Парижа. Доступ к нему строго контролировался.

Чтобы защитить эталон от любых внешних воздействий, его держали под несколькими стеклянными колпаками и доставали только для редких международных сверок. Такие меры предосторожности были необходимы не случайно. Любой физический эталон со временем может немного измениться. Даже микроскопические частицы пыли или загрязнений способны изменить массу цилиндра на доли микрограмма. Для обычной жизни это неважно, но в метрологии такие изменения недопустимы.

У IPK было шесть официальных копий, которые также находились в ведении BIPM. Кроме того, ещё в XIX веке изготовили 40 национальных прототипов, распределённых между странами — участницами Метрической конвенции. Позже их число увеличилось, и всего было создано более 90 пронумерованных прототипов. Именно они использовались для передачи единицы массы национальным метрологическим институтам.

Российские национальные прототипы хранились и продолжают храниться во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в Санкт-Петербурге, а Росстандарт координирует государственную систему обеспечения единства измерений.

Главная проблема физического эталона в том, что любой материальный объект со временем может немного измениться. При сравнении IPK с его официальными копиями учёные обнаружили расхождения в десятки микрограммов. При этом определить, изменился ли сам международный прототип или его копии, было невозможно: ведь именно IPK считался определением килограмма. Это похоже на ситуацию, когда все измеряют длину одной и той же линейкой, но никто не знает, не изменилась ли она сама.

Для обычной жизни такие различия незаметны. Но в метрологии, фармацевтике, микроэлектронике и фундаментальной науке даже такая неопределённость недопустима. Национальные прототипы регулярно сверяли с международным эталоном, но между такими сверками проходили годы, а иногда и десятилетия. Поэтому небольшие различия постепенно накапливались. Именно поэтому учёным понадобилось новое определение килограмма — такое, которое не зависело бы от состояния единственного металлического цилиндра.

20 мая 2019 года вступило в силу новое определение килограмма. Теперь единица массы определяется не физическим предметом, а фундаментальной константой природы. Основой нового определения стала постоянная Планка. В отличие от металлического цилиндра, её значение считается неизменным, поэтому она гораздо лучше подходит для роли эталона. Оно зафиксировано точно:

6,626 070 15 × 10⁻³⁴ Дж · с

После реформы 2019 года международный прототип килограмма перестал быть эталоном массы и сохранился как исторический артефакт. Но если металлического эталона больше нет, как тогда определить один килограмм на практике?

Для этого учёные используют весы Киббла. Они сравнивают механическую силу, создаваемую массой груза, с электромагнитной силой. Через квантовые электрические эталоны, связанные с постоянной Планка, это позволяет воспроизводить единицу массы без металлического цилиндра.

Параллельно с весами Киббла развивался международный проект Авогадро. В нём использовали идеально отполированные сферы из кремния-28, чтобы определить фундаментальные константы, подсчитав число атомов в кристалле. Результаты двух независимых методов совпали, что стало одним из ключевых аргументов в пользу реформы системы СИ.

Сегодня весы Киббла есть лишь в нескольких ведущих метрологических лабораториях мира. Это очень сложные и дорогие установки, поэтому далеко не каждая страна может построить их у себя. Но даже без собственных весов Киббла все страны используют одно и то же определение килограмма.

Килограмм — одна из семи базовых единиц Международной системы единиц (СИ) наряду с метром, секундой, ампером, кельвином, молем и канделой.

Реформа 2019 года затронула сразу четыре единицы:

• килограмм определяется через постоянную Планка;
• ампер — через элементарный электрический заряд;
• кельвин — через постоянную Больцмана;
• моль — через постоянную Авогадро.

Благодаря этому система СИ больше не зависит от физических артефактов. Её определения основаны на фундаментальных свойствах природы и могут быть воспроизведены в современной метрологической лаборатории, у которой есть необходимое оборудование.

Килограмм прошёл долгий путь — от металлического цилиндра, который больше века хранился под Парижем, до определения, основанного на фундаментальной физической константе. Благодаря реформе 2019 года единица массы больше не зависит от состояния одного-единственного эталона и может воспроизводиться по единым правилам в разных странах. Именно поэтому современная система СИ обеспечивает высокую точность измерений в науке, промышленности, медицине и международной торговле.