Возможно, благодаря этому и другим измерениям уже в следующем году все семь основных величин системы СИ будут официально переопределены исключительно через фундаментальные физические константы и свойства, а эталон килограмма после более чем вековой службы науке превратится в музейный экспонат.

Необходимость во всеобщей системе мер существовала с древних времен, но особенно возросла с началом научно-технического прогресса, ведь ученым надо было иметь общий язык измерений, чтобы обмениваться результатами своих исследований. Поэтому в 1795 году во Франции была официально принята метрическая система, а определения основных величин оказались закреплены в государственных документах. Для того чтобы придать ей универсальность, все ее величины были привязаны к природным объектам.

К примеру, метр в ней описывался как одна сорокамиллионная доля меридиана. Соответственно, предполагалось, что величина, привязанная к размеру Земли, будет измеряема в любой точке планеты. То же самое касалось и массы: грамм изначально определялся как масса кубического сантиметра воды при температуре плавления льда.

Но так как Земля не идеально сферическая, а вода может содержать примеси, результаты измерений этих величин немного разнились у разных исследователей в разных точках планеты. Поэтому во второй половине XIX века было решено переопределить длину и массу через эталоны, оригиналы которых хранились в штаб-квартире Бюро мер и весов в пригороде Парижа, а их точные копии были предоставлены в аналогичные метрологические организации стран, подписавших в 1875 году метрическую конвенцию.

Эталоны килограмма состояли из сплава платины и иридия в соотношении 9 к 1. Ученые решили сделать их в форме цилиндра с равными высотой и диаметром — немногим более 39 миллиметров. Равные размеры были выбраны для того, чтобы уменьшить площадь поверхности, а следовательно, и износ эталона.

Почему понадобилась система СИ

Метрическая система базировалась на массе и длине (а также производных из нее площади и объеме) как основных единицах. Но поскольку в конце XIX и начале XX веков бурно развивались новые научные области, принятых величин стало не хватать и ученые начали использовать модифицированные варианты метрической системы. К примеру, широкое распространение получили системы СГС и МКСА.

В середине ХХ века началась разработка новой универсальной системы мер, которая отвечала бы современным требованиям и реалиям науки. Так в 1960 году была принята Международная система единиц СИ (SI, Le Système International d’Unités). Изначально в нее включалось шесть величин, считающихся основными: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Количество вещества, измеряемое в молях, было добавлено в СИ в 1971 году. Все остальные физические величины являются производными, то есть могут быть математически выведены через основные.

С момента принятия системы СИ некоторые определения величин менялись, к примеру, метр был привязан к скорости света в вакууме, а секунда — к количеству сверхтонких переходов в атоме цезия-133. Таким образом, шесть из семи величин были избавлены от физических эталонов и выводятся через неизменные физические свойства и явления, такие как скорость света или периодические изменения в энергетической структуре атомов.

Тем не менее, действующее определение килограмма по-прежнему гласит: Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. Периодически копии эталона сверяют с оригиналом, и измерения показывают, что массы эталонов меняются. Это происходит из-за их взаимодействия с подставкой, на которой они установлены, пылью, которая оседает на них при поверке, и других явлений. Причем достоверно можно говорить только о том, что массы эталонов постепенно «разбегаются», но не о том, какой именно из них «похудел» или, наоборот, увеличил массу.

Переопределение величин

Чтобы окончательно перейти от эталонов к физическим явлениям, а также усовершенствовать определения некоторых величин, в 2011 году на Генеральной конференции по мерам и весам было принято решение переопределить четыре основные величины: килограмм (масса), ампер (сила тока), кельвин (термодинамическая температура) и моль (количество вещества). Также планируется поменять формулировку определений трех остальных величин, оставив неизменной их суть.

Новые определения будут выражены через фундаментальные физические константы: килограмм через постоянную Планка, ампер через величину элементарного заряда, кельвин через постоянную Больцмана, а моль через число Авогадро. Для этого придется зафиксировать эти постоянные и приписать им значения, соответствующие наиболее точным измерениям.

Читать далее.