Физики готовятся пересмотреть все единицы измерения

Коренные племена Мадагаскара измеряли время жаркой одной саранчи. В средневековой Англии для этой же цели использовали молитву "Отче наш". Мир непробудившейся науки и примитивных технологий не нуждался в особой точности.

Вопрос унификации мер и весов остро встал перед человечеством в XVIII веке. Отсутствие общепринятых и надёжных единиц измерения тормозило развитие науки. Кавендиш измерил силу притяжения между телами и вычислил гравитационную постоянную G. Но он вынужден был опубликовать этот результат в виде утверждения, что средняя плотность Земли в 5,48 раз больше плотности воды. Значение вожделенной константы приходилось выражать из этой пропорции через объём земного шара и ускорение свободного падения.

Мешало несовершенство измерений и властительнице истории – международной торговле. Английский парламент учредил огромную Премию долготы за способ достаточно точно измерять время – ведь это единственный способ определить долготу корабля в открытом океане.

Спрос, как известно, рождает предложение. В 1799 году во Франции были изготовлены эталоны метра и килограмма. К середине XX века оформилась система единиц СИ.

Сегодня она покоится на семи китах. Имя им – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Эти единицы – основные. Все остальные – производные, как, например, метр в секунду (м/с). Иногда производные единицы имеют собственные названия. Например, ньютон (единица измерения силы) имеет вид кг∙м/с2.

Но договориться измерять удава в попугаях – это полдела. Необходимо, чтобы попугаи у всех были одинаковыми. Человек, которому делают операцию на глазном яблоке, вряд ли согласится, чтобы производители оборудования имели какое-то своё представление о том, сколь велик миллиметр. А между тем современная наука и техника предъявляют к точности измерений куда более высокие требования.

Для правильной работы навигационных систем GPS и ГЛОНАСС необходимо учитывать даже замедление времени, предсказанное общей теорией относительности. А в детекторах гравитационных волн трёхкилометровое расстояние между зеркалами меняется на величину, которая в тысячу раз меньше радиуса протона.

"Образцовым попугаем" служит эталон. Эталоны метра и килограмма в своё время были изготовлены из сплава платины и иридия и помещены в Палату мер и весов. Как утверждается в известном анекдоте, там же хранится лошадь, развивающая мощность в одну лошадиную силу – она имеет рост один метр и массу один килограмм.

Проблема с рукотворными эталонами, однако, прекрасно озвучена в классическом фильме Марка Захарова: "Что один человек собрал, другой завсегда разобрать может". Эталон может быть похищен, уничтожен, испорчен. Бурные события европейской истории XX века убеждают в этом самых недоверчивых.

В чём же выход? Он очевиден. За эталон надо принять природный физический процесс. Время, за которое электрон в атоме цезия совершает переход между энергетическими уровнями, ни уничтожить, ни похитить нельзя. Оно было таким же, как сейчас, до появления человека и не изменится после его исчезновения.

Поэтому можно подсчитать количество переходов, которое происходит в ныне существующую секунду, обозначить его n и в дальнейшем определять секунду как время, за которое электрон совершает n переходов. Нужно только считать достаточно точно, чтобы длина промежутков времени, уже измеренных в "старых секундах", в "новых секундах" осталась той же самой в пределах погрешности измерения.

Именно так и была определена секунда в 1960-х годах. Привязав к законам природы значение секунды, учёные смогли зафиксировать и величину метра – через скорость света в вакууме, фундаментальную физическую константу. Метр определили как расстояние, которое свет проходит за определённое количество секунд.

Сегодня точные измерения – это целая отрасль прикладной науки. Атомные часы бьют рекорды точности и стабильности, системы радиотелескопов напрямую измеряют скорость движения континентов, астрономы для изучения сложного танца небесных тел планируют использовать пульсары – природные часы-радиомаяки.

К настоящему времени единственной основной единицей СИ, которая по-прежнему определяется искусственным, лежащим под колпаком эталоном, – это килограмм. Впрочем, это не значит, что к остальным единицам у учёных нет претензий.

Мало привязать единицу измерения к какому-то физическому закону. Нужно ещё сделать это так, чтобы эксперимент, воспроизводящий этот эталон, можно было сделать максимально "чистым", не подверженным влиянию посторонних факторов. И здесь у физиков есть вопросы к единице температуры – кельвину. Он определяется через тройную точку воды. Грубо говоря, это температура, при которой вещество может находиться в любом из трёх состояний – жидком, твёрдом или газообразном.

Казалось бы, уж воды-то кругом достаточно, и с проведением такого эксперимента никаких проблем не возникнет. Однако значение тройной точки довольно чувствительно к чистоте воды и даже к её изотопному составу. Поэтому точность измерений температуры в таких единицах меньше, чем хочется ненасытным физикам.

В связи с этим Генеральная конференция по весу и мерам ещё в 2011 году постановила, что нужно переопределить единицы измерения, привязав их к основным мировым константам. А именно ампер должен быть привязан к заряду электрона, кельвин – к постоянной Больцмана, а килограмм – к постоянной Планка. Определение моля тоже нужно переписать, сделав его независимым от килограмма и зафиксировав точное значение числа Авогадро.

Но, как уже было сказано выше, для начала эти мировые константы требовалось измерить достаточно точно в существующих единицах. Только это может гарантировать, что "новые" единицы совпадут со "старыми" настолько, что уже сделанные измерения не придётся пересматривать. А кроме того, нужно было разработать и процедуры воспроизведения естественных эталонов, достаточно устойчивые к внешним факторам, которые могут их исказить.

Эксперты требовали точности в измерении фундаментальных констант до восьми значащих цифр после запятой. И сегодня эту работу можно считать завершённой. 20 октября 2017 года в журнал Metrologia принята к публикации статья за авторством членов Комитета по данным для науки и техники (CODATA). В ней приведены результаты измерений, сделанных разными коллективами авторов, и констатировано, что требуемая точность наконец достигнута.

В ноябре 2018 года Генеральная конференция по весу и мерам собирается на очередное заседание. На нём будет поставлен вопрос о реформировании системы СИ на основе опубликованных значений. И тогда человечество получит систему единиц, базирующуюся не на произвольно выбранных кусках драгоценного металла, а на прочном фундаменте законов природы, не поддающихся ни искажению, ни уничтожению.