Петербургские ученые стали участниками исторического события в области метрологии. Специалисты из разных стран собрались накануне в Версале для пересмотра международной системы единиц физических величин. Реформа станет самой значимой по размаху и по объему проведенных масштабных исследований за всю историю метрологии. Участники встречи пересмотрели сразу 4 фундаментальные единицы измерения, в том числе килограмма.

Сейчас в мире существует всего 42 эталонных копии килограмма. Две из которых находятся в Петербурге в институте метрологии имени Менделеева. Подписание метрической конвенции, вернее его последствия, позволят упростить и удешевить высокотехнологичные исследования. Как из песка можно создать копию эталона, расскажет Александр Чуев.

Это российский национальный прототип килограмма, есть еще второй слиток, так называемый, эталон-свидетель. Всего в конце XIX века во Франции были созданы сорок две подобные копии. Цилиндры весом ровно один килограмм из сплава платины и иридия. Он очень инертный и способен сохранять свои свойства столетиями. При правильном хранении, разумеется. Российские два слитка уже 125 лет находятся здесь, в Петербургском институте метрологии имени Менделеева.

В здании, которое спроектировал сам автор периодической таблицы химических элементов. Объект уникален тем, что похож на матрешку. За фасадом скрывается самостоятельная постройка, она расположилась на многотонном фундаменте независимо от внешнего контура. Внутри как стержень выделяется еще один центральный элемент. Такой подход позволил российским эталонам веса благополучно пережить три революции, две мировые войны, блокаду и лихие 90-е. 

Однако сложная система защиты – не панацея. Случись что и страна потеряет вес, в прямом смысле слова. Кроме того, любой материальный объект подвержен износу и деформации. В том числе и по массе. Так за сто с лишним лет у российского национального прототипа килограмма она изменилась, по сравнению с парижским, на тридцать микрограммов. То же самое произошло и с другими копиями. Очевидно, и главный образец пятой республики, отлитый из той же пробы металла, непостоянен. Казалось бы речь идет о незначительных величинах. Даже через миллион лет изменения слитков не превысят и половины грамма. Но для научно-технического прогресса с его растущей требовательностью к точности измерений подобная нестабильность может привести к кризису.

ВИКТОР СНЕГОВ,ученый-хранитель государственного первичного эталона единицы массы, сотрудник ВНИИМ имени Д.И. Менделеева:
«Чтобы определить малейшие концентрации вредных примесей в атмосфере в воздухе приходится применять метод такой. Приходится взвешивать чистые фильтры. И взвешивается фильтр, через который пропускается некий объем воздуха».

Точность в таком взвешивании должна быть абсолютной. И этот пример один из тысячи. В научном мире назрела потребность в создании независимой величины, к которой можно привязать килограмм. Так как было проделано с единицей измерения длинны – метром. Спустя столетие после подписания в Париже в 1875 году метрической конвенции, метр переопределили. Вместо эталонной линейки, величину стали отсчитывать отрезками, которые свет проходит за определенное время.

Над решением проблемы килограмма специалисты бились несколько десятилетий. Накануне, в Версале ученые, в том числе из Петербурга, совершили «очередную французскую революцию», как ее уже успели окрестить. На фундаментальные физические константы перевели четыре из семи основных единиц измерения. Ампер, Кельвин, моль и килограмм. Последний будут определять через, так называемую, постоянную Планка из квантовой теории. Норма позволит воссоздать килограммовый объект самыми разными способами.

АНТОН ПРОНИН,и.о. директора ВНИИМ имени Д.И. Менделеева:
«Действительно, далеко не рядовое событие, которое оценивается учеными всего мира как большой шаг к познанию тайн вселенной и реализации того девиза под которым создавалась метрическая система. Она создавалась под девизом: «На все времена для всех народов». Но тогда получалось, кто этот эталон получил, тот и молодец, а кто не получил – нет».

На замену стальному цилиндру одним из первых пришел сферический кремниевый кристалл, число атомов которого постоянно и сосчитано. Материал выбран неслучайно. Кремний активно используется в электронике, поэтому методы его очистки хорошо развиты. Кроме того, исходное сырье, то есть песок доступен в избытке. 

ВИКТОР СНЕГОВ,ученый-хранитель государственного первичного эталона единицы массы, сотрудник ВНИИМ имени Д.И. Менделеева:
«Килограмм не будет точнее сегодняшнего килограмма, но он будет обладать тем свойством, что его всегда можно будет воспроизвести и проконтролировать его изменения».

Любопытно, что подобные сферические кристаллы из очищенного кремния будут делать именно из российского песка, добытого под Красноярском. Технология воспроизводства мерила килограмма проста и неимоверно сложна одновременно.

АЛЕКСАНДР ЧУЕВ,корреспондент:
«Для того, чтобы получить такой килограммовый кремниевый артефакт нужно вырастить монокристалл весом в три с половиной килограмма, а затем сделать из него буквально идеальную сферу. К примеру, если подобный шар увеличить до масштаба всей планеты, выступы на поверхности будут не выше колена».

Именно шлифовка является самым сложным этапом. Сегодня необходимой точности способен достичь единственный на планете Австралийский центр точной оптики. Тем не менее, в России к этой высоте уже подбираются. Кроме того, финальная процедура, непосредственно взвешивание сферы в вакууме, технология доступная элитному клубу развитых стран. Такие работы ведутся и в Петербурге.

ЮРИЙ КАМЕНСКИХ,помощник ученого-хранителя государственного первичного эталона единицы массы:
«От плотности воздуха зависит точность измерений. Поэтому для точных измерений применяют вакуумный компаратор массы. В камере с помощью двух насосов откачивается воздух до один на десять в минус шестой миллибара. Мы исключаем выталкивающую силу воздуха с помощью этого оборудования».

Примерно миллион евро стоит подобный кремниевый шар. Затраты на специальное оборудование для его производства оцениваются в миллиарды. Как ни странно, принцип, позволивший перевести килограмм на физическую константу, по мнению ученых, удешевит и ускорит развитие науки и технический прогресс. А российский национальный прототип килограмма и эталон-свидетель еще сохранят свою актуальность в ближайшее десятилетие. Затем, возможно, станут музейными экспонатами.

Подписывайтесь на нас в «Яндекс.Новостях», Instagram и «ВКонтакте».