Килограмм стал нематериальным

Участники 26-й Генеральной конференции по мерам и весам, которая проходила с 13 по 16 ноября 2018 года в Париже, приняли историческое решение о переопределении четырех из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ) — килограмма, ампера, кельвина и моля. Этим решением килограмм был «отвязан» от материального носителя-эталона, и теперь определяется через постоянную Планка. С этого момента все единицы системы СИ привязаны к фундаментальным физическим константам. Трансляция заседания конференции, где единогласно было принято это решение, велась на сайте Международного бюро мер и весов.

Нынешнее решение завершает реформу, длившуюся несколько десятков лет: еще в 1983 году метр был привязан к значению скорости света в вакууме (и значение скорости было зафиксировано, были прекращены все программы измерения скорости света в вакууме, поскольку его значение стало точно известным по определению. В 2005 году исследователи определились в выборе еще трех констант для переопределения других единиц. Постоянная Планка была выбрана как основа для определения единицы массы, килограмма, элементарный электрический заряд (заряд электрона) — единицы силы тока, а постоянная Больцмана — термодинамической температуры.

Для того, чтобы завершить этот переход, понадобилось несколько лет для того, чтобы с высокой точностью измерить константы.

До этого дня единица массы, килограмм, была привязана к рукотворному артефакту, цилиндру из сплава платины и иридия, который хранится во французском городе Севр. Результаты нескольких международных сличений национальных копий, изготовленных из того же материала, показали что их массы меняются относительно главного эталона в диапазоне ±50 микрограммов за 100 лет. Насколько при этом изменилась масса главного эталона — неизвестно, поскольку его не с чем сравнивать. Для многих типов измерений такое отклонение может привести к недостоверным результатам.

Теперь утверждено новое определение килограмма, основанное на постоянной Планка. Установка, с помощью которой можно реализовать новый эталон массы, называется весы Киббла. В таких весах эталоном выступает груз, который уравновешивает силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускают ток. Таким образом, массу объекта можно найти за счет равенства электрической и механической сил. Константа Планка «прячется» в уравнениях, описывающих работу электрической части установки, и без ее фиксирования переопределить килограмм было невозможно. Примечательно, что та же самая установка ранее использовалась как раз для уточнения константы Планка, но для этого применялся другой режим ее работы.

Благодаря новому определению килограмма, каждая страна сможет воспроизводить эталонную установку самостоятельно в любое время, не прибегая к сверке с главным эталоном.

Конференция также утвердила новое определение ампера. Прежнее определение, утвержденное в 1948 году, было основано на измерении силы, действующей на параллельные проводники с током. Теперь ученые решили зафиксировать не только численное значение постоянной Планка для килограмма, но и численное значение электрического заряда — для нового определения ампера.

Единица температуры — кельвин — до сегодняшнего дня определялась как 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Это определение создавало свои неудобства, поскольку в воде всегда есть примеси тяжелых изотопов водорода и кислорода, и они могут значительно сдвигать тройную точку. Поэтому метрологам пришлось создать отдельный стандарт — Венский стандарт усредненной океанской воды. Ее рецепт выглядит так: 0,00015576 моля дейтерия на моль обычного водорода; 0,0003799 моля  на моль , и 0,0020052 моля  на моль  Кроме того, для того, чтобы определять точные значения в других диапазонах, ученым приходилось контролировать точки плавления и кипения нескольких других веществ. Новое определение кельвина основано на постоянной Больцмана, которая теперь будет точно равна 1,380649 ×  Дж ×  (джоулей на кельвин).

Моль до этого времени был привязан к количеству атомов в 0,012 килограмма стабильного углерода-12, то есть был связан с массой. В новой версии системы СИ он будет определен через зафиксированную постоянную Авогадро, то есть будет равен 6,02214076× частиц.

Проект реформы был одобрен, но вступит в силу она во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.