«Гирьки будут лежать на почетном месте в музеях» Физик Михаил Иванов — об отказе от эталона килограмма

20 мая изменились принципы, по которым определяют величину четырех основных физических единиц: килограмма, ампера, кельвина и моля. Соответствующее решение было принято в конце 2018 года. Нововведения означают, что человечество полностью отказалось от привязки к материальному эталону килограмма — цилиндрической гирьке, которая хранится в Международном бюро мер и весов под Парижем. «Медуза» обсудила с доцентом кафедры теоретической физики МФТИ Михаилом Ивановым, почему было решено отказаться от гирьки и что будет с килограммом теперь.

— Вступили в силу новые определения четырех основных единиц системы СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля. Что это значит?

— Правильнее сказать, что имеет место не изменение определений этих четырех единиц, а их уточнение. На том уровне точности, с которым мы сталкиваемся с измерениями в быту, мы этих изменений просто не заметим. Новые определения специально выбирали так, чтобы они были как можно более незаметны для широких кругов. Килограммовая гиря на базаре — она останется килограммовой. Как и практически все, с чем мы сталкиваемся вокруг. За некоторыми редкими исключениями, которые связаны преимущественно с высокими технологиями.

— Зачем же это делать, если все будет незаметно?

— До 20 мая у нас была одна единица измерения, которая привязана к некоему физическому объекту — к артефакту, как это называют метрологи. К той самой килограммовой гирьке из платиноиридиевого сплава, которая хранится во Франции в Севре, в Международном бюро мер и весов, чьи официальные копии хранятся по всему миру, в том числе в России.

Для торговли, для бытовых нужд точности этой гирьки было вполне достаточно. Но в физике, в высоких технологиях уже возникли области, в которых точность измерения ограничена уже не измерительным прибором, а определением того, что такое килограмм. Несовершенство процедуры взвешивания гирьки, которая была изготовлена в 1889 году, стало влиять на точность измерений. Поэтому вот эта платиноиридиевая гирька — она в каком-то смысле стала гирей на ногах у высоких технологий и физики.

Работа над тем, чтобы избавиться от гирьки образца 1889 года, шла давно. Я бы даже сказал, что с самого начала, как эту гирьку изготовили, предполагалось, что рано или поздно от нее откажутся. Потому что с самого начала идеология системы СИ предполагала, что мы стараемся привязывать наши единицы измерения к каким-то природным константам. В конце XVIII века, когда системы СИ еще не было, но в революционной Франции создавалась метрическая система, пытались привязать метр к длине парижского меридиана, а килограмм — к массе литра воды. Очень скоро выяснилось, что меридиан и литр померили не совсем точно. Чем все это перемерять, проще принять, что килограммовая гирька и метровая линейка — они и есть определение этих единиц. Это было из-за сложностей с подбором подходящих фундаментальных констант, их измерений.

— Как теперь будут рассчитывать килограмм?

— Для воспроизведения килограмма были изобретены и построены специальные весы Киббла. Принцип там очень простой. Вес грузика уравновешивается с притяжением электромагнитов друг к другу. Сложность была в том, чтобы с помощью вот такого устройства обеспечить достаточную точность.

Сейчас, 20 мая 2019 года, в некотором смысле сбывается вековая мечта физиков: мы получаем систему единиц, которая не зависит от каких-то артефактов. И если весы Киббла будут уничтожены, то мы можем построить новые. А если бы была уничтожена вот та самая платиноиридиевая гирька, то возникла бы проблема. Как выразился физик Штефан Шламмингер из Национального института стандартов и технологий США, наконец-то мы избавились от этого эталона, а то если бы установили контакт с инопланетянами, было бы перед ними неудобно, что мы определяем килограмм таким примитивным образом.

Теперь для всех основных единиц измерения есть приборы, которые любая технически развитая страна может построить и самостоятельно эти единицы измерения воспроизвести. Если мы вдруг познакомимся с инопланетянами, то мы можем по радио передать информацию о том, какие у нас единицы измерения, и они поймут. Кстати, предыдущее уточнение определения килограмма состояло в том, что ту самую гирьку 1889 года перед сличением следует помыть по некоторой строго описанной процедуре.

— В российском ВНИИ метрологии сказали, что пока нас устраивает находящийся в России эталон килограмма и мы будем привязаны к нему до 2025 года. Почему нужно время для перехода на новый стандарт?

— Насколько я знаю, весы Киббла в России еще не успели построить. Это же не простые весы. Все измеряется в вакууме, надо их стабилизировать по температуре. И померить с большой точностью ускорение свободного падения там, где эти весы находятся. Это высокоточный эксперимент.

— Получается, если есть достаточно денег и времени, любой может создать такие весы и определять килограмм с максимальной точностью?

— Со временем, наверное, эти установки и в коммерческой продаже появятся. Но пока, насколько я понимаю, это штучные изделия. Для нужд метрологии штучных изделий достаточно. Есть первичные эталоны — это самые-самые точные. На основе первичных эталонов изготавливают вторичные, ну и так далее — целая пирамида эталонов со все снижающейся и снижающейся точностью. Начиная, так сказать, от весов Киббла и заканчивая килограммовой гирькой на базаре.

— Стоит ли ожидать, что новые определения килограмма и других единиц измерения будут дорабатываться в будущем?

— Дорабатываться, скорее всего, будут. Но, думаю, в ближайшее десятилетие доработки могут быть несущественными. Когда мы привязались к фундаментальным константам, то дальше, в принципе, мы можем точность наращивать неограниченно.

— И парижская гиря больше не нужна?

— Парижскую гирю с почетом поместят в музей. Как ранее поместили туда платиноиридиевый эталон метра. Гиря — это важная веха в развитии науки и техники. В конце XVIII века были наивные представления, что один раз мы измерили меридиан и килограмм, изготовили линейку и гирьку, после чего положили их в красивые футляры, сдали в национальный архив — и все, задача решена.

Оказалось, что задача этим далеко не исчерпывается, что должна быть постоянно работающая метрологическая служба, которая занимается поддержанием первичных эталонов, которая организует поверку эталонов следующих уровней точности. Кстати, в России реорганизацию метрологической службы для перехода на метрическую систему провел Дмитрий Менделеев, которого широкая общественность знает только как химика.

А в XX веке возникла физика, которая позволяет нам сейчас отвязаться от артефактов — теперь и ампер, и килограмм основаны на квантовой теории (рождение квантовой теории принято относить к периоду 1901–1925 годов). И на основе квантовой теории мы можем вот с гораздо большей точностью эти единицы воспроизвести.

— Не получится ли так, что из-за ошибок в расчетах мы потом пожалеем, что отказались от эталонов и не следили, чтоб они сохраняли свои свойства?

— Есть разные спекуляции на тему того, могут ли фундаментальные константы меняться со временем. Но есть эксперименты, а главное — астрономические наблюдения. Когда мы наблюдаем далекие звезды и галактики, мы смотрим в далекое прошлое нашей Вселенной. Мы можем попытаться по таким удаленным объектам оценить, изменились ли за это время фундаментальные константы. По имеющимся данным, изменений фундаментальных констант не обнаружено.

Заслуженные платиноиридиевые гирьки никто не собирается утилизировать. Они будут лежать на почетном месте в музеях. Если понадобится, к ним можно будет снова обратиться.