Как измеряют самые слабые силы во Вселенной? [Veritasium]
[музыка] Это 10 микрограммов. Думаете, я их увижу? Думаю, что да. О Боже, видите стрелочку? Да-да, с фонариком лучше. Да. Мне кажется, это стоит как-то заснять. Ну, удача вам с этим. Похоже на волосок маленький, меньше реснички.
Чтобы измерить силу, например, силу тяжести или вес объекта, обычно берут какой-нибудь известный образец. Самый точный эталонный образец, созданный человеком, это килограмм — цилиндр из сплава платины. Он хранится в сейфе на окраине Парижа. Копии этого килограмма разослали в разные страны мира, где их используют как эталон масс. Это к-20 американские. Да, США тайна использует метрическую систему. Просто все измерения затем конвертируют. Очень удобно. Правда? Мы просто всё перечитываем, но на самом деле у нас в стране метрическая система какая-то. Разумеется, нет. Да, довольно глупо.
Неточность в массе этих эталонов — всего несколько десятков микрограммов. Это миллиардные килограммы погрешность, 0,001 процента. Весьма неплохо. Но чем меньше масса, мы берем, тем эта погрешность становится больше. Вот эта маленькая гирька — это стандарт веса в 50 граммов, тоже эталон массы. Можно взять, посмотреть. Да, но только пинцетом. Будьте добры, хорошо, чтобы не оставлять отпечатки. Он тяжеленький, чувствуете? Да, чувствую.
А вот это рядом? Что это? Это 10 граммов. А этот легкий? Да, лёгкий. А вот это скрепка весит около одного грамма. Так вот, как мы используем эти тестовые грузики? Например, вот у нас лабораторные весы. Берем такой грузик, ставим. Потом смотрим и видим, что ура, они достаточно хорошо откалиброваны. Цифра в конце может немного меняться, но так или иначе, можно проверить, насколько точно работают весы.
Хорошо, есть у нас килограмм. Но эти грузики, которые я показывал, очевидно, намного легче. И в общем, есть вопрос, как перейти от довольно больших объектов к чему-нибудь такого маленького размера. Можно традиционным способом, которым обычно пользуются, когда измеряют массу. Берем эталон килограмма и начинаем его дробить, то есть сравниваем с ним два груза поменьше. Например, два груза по 500 граммов. Взвешиваем между собой, чтобы точно знать, что они одинаковые. Ставим их на весы, а на вторую килограмм. То есть сначала берем два по 500, потом 2 по 250, потом два по 125. Делим каждый раз. Да-да, вот тут у нас стандартный набор — это 500 мг, вот эти два по 200 мг, а здесь 100 мг. Получается, вот эти три в сумме дают 500. Получается, их все можно сравнивать друг с другом.
Самая маленькая масса у нас вот здесь — это один миллиграмм. Миллиграмм? Да, вот здесь миллиграмм. Из какого они материала? Из нержавеющей стали. А тут специальная кисточка, за ними надо следить. Если даже одна пылинка сядет, это уже плохо. Если пылинка крупная, каждый раз, когда что-то приходится взвешивать с этими грузиками, мы всегда всё протираем специальными тряпочками и кисточками.
А почему они такой странный формы? Странный? Да, это чтобы сразу понять, что есть что. Пятиугольник, например, это 500 мг. И меня завораживает, насколько мелко можно разделить килограмм. Вот это — 1 миллионная часть килограмма. Миллиграмм? Это же получается, что килограмм можно разделить на миллион частей. Но естественно, за это приходится платить.
Дело в том, что каждый раз, когда мы разделяем на части, погрешность немного растет. Если получать его тем способом, о котором мы говорим, это, наверное, один на 10 в четвертой степени, одна на 10 тысяч. То есть примерно в районе одной сотой процента. Но погрешность можно снизить. И всё благодаря тому, что килограмм больше не определяется цилиндром из платины и иридия где-то в подвалах Франции.
За последние 100 лет или около того, Париж сейчас привозили копии килограммов, чтобы сравнить друг с другом. По результатам взвешивания стало понятно, что вес отличается, и разница доходит до 75 мкг. А вот почему никто не знал: то ли копии становились все тяжелее, то ли оригинал легче. Ясно было одно: так продолжаться больше не может. Решить проблему можно было, если отвязать килограмм от конкретного физического эталона, а вместо этого определить его через постоянную величину, а именно постоянную Планка.
И как это сделали? Постоянная Планка в основном известна тем, что связывает частоту фотона и его энергию. Е равно HF. Однако энергия и масса связаны через E = MC в квадрате. Как видите, таким образом масса связана с постоянной Планка. В 2019 году ученые официально установили значение постоянной Планка. Получилось вот такое число — это джоулей на секунду. И теперь постоянная Планка определяет не только метры, секунды, но и благодаря этому новому подходу массу можно измерять весьма специфичными способами.
Это весы Кибла, они взвешивают объекты с помощью электромагнитных сил. При этом показатели измерения электричества можно получить с высокой точностью и в так называемых планковских единицах, что позволяет напрямую получить вес объекта. Это можно сказать младший брат весов Кибла, его называют электростатическими весами. Это устройство сконструировано специально для того, чтобы измерять массы в миллиграммах. На весах Кибла используется электромагнит, а здесь конденсатор.
По сути, два металлических электрода, на которые подается напряжение, и тогда эти электроды начинают друг другу притягиваться, чтобы приложить электростатическую силу. Я вот сюда подаю напряжение. Если видите, вот к этому цилиндру. Тут цилиндр, а вот там внутри еще один. Они расположены довольно близко, и получается, такие концентрические цилиндры — один в другом. Когда идет ток, втягивается внутрь, получаем какую-то массу, потом сравниваем силу тяжести от объекта и электростатическую силу на конденсаторе.
Чтобы добиться наибольшей точности, лабораторию разместили глубоко под землей. Температура воздуха поддерживается строго на отметке 20 градусов Цельсия, чтобы избежать сжатия или расширения материалов, из которых сделана аппаратура. Все взвешивания проводятся в условиях вакуума. Это нужно, чтобы исключить воздействие движения воздуха и Архимедовой силы. Здесь даже специально замеряли ускорение свободного падения. Вот тут под креслом этот треугольник остался от геологической службы. Они мерили абсолютную гравитацию в конкретном месте — 9,81 м/с примерно.
Можно ли сказать, что вы точнее всех измеряете слабые силы на уровне миллиграмма, где-то 10 микрон? Да, этот аппарат измеряет такие силы точнее всех в мире. Имею право так говорить? Ну, конечно, это не предел. Вот самый маленький вес, и вы его даже не увидите — это 10 микрограммов. Мы говорили о погрешности при измерении килограмма. Если вооружиться постоянной планка и весами Кибла и взять килограмм, получается точность до 10 микрограммов.
И эти 10 микрограммов выглядят. В смысле, их не видно. Мне даже стрелочку пришлось для вас нарисовать. Вот можете подойти посмотреть, вдруг получится увидеть? Мне кажется, это стоит как-то заснять. Я даже не знаю, удачи вам с этим. Похоже на волосок. Так и есть, маленький, меньше реснички. Так и есть, он около, гораздо тоньше. Да, примерно размеры ресницы. Почти уверен, что мы все-таки сумеем это снять. Мы привезли специальную линзу. О, отлично, специальная линза, специальная 24 мм. Макро. Как знал, что пригодится. Сначала надо найти, что снимать. О, кажется, вижу.
Супер, видите? Да-да, получилось. Сами делали? Да, было сложно. А потом перепроверял на весах — это было нечто. Честно, та еще задачка. Вы эту ресничку видели? Вот представьте, что такое работать с чем-нибудь таким. В принципе, вряд ли вообще получится сделать калибровочный груз меньше этого. А если надо измерить силу еще меньше? То у меня есть вот эти малюсенькие штучки. Это кантилеверы сканирующего атомно-силового микроскопа.
По сути, это такие очень маленькие зонды, небольшие пластинки с очень острым штырьком на конце. Этим кончиком можно тыкать в разные предметы и прикладывать к ним силу на уровне наноНьютонов и пикоНьютонов. Там кончик настолько маленький, что его очень сложно увидеть. Для этого нужен микроскоп как трамплин для прыжков. Да, именно. Что-то вроде выступа, похоже на трамплин. Он работает как пружинка. Нажимаем на него, и чем сильнее гнется, тем больше силы.
Да, измерения каких сил вы можете дойти? Так, сейчас попробую сказать. Самые маленькие силы мы измеряли вот этим устройством. Если брать силы, про которые я с уверенностью могу сказать, что измерение удались, которые каким-то образом можно соотнести с международной системой, это были только надо, чтобы распрямить ДНК. То есть если взять молекулу ДНК за кончики и растянуть. Вот это примерно пиканьютон.
Теперь берем примерно тысячную долю этой силы — это фемтоНьютон. Мы такое замеряли. Тут у меня образец одного из сенсоров, с помощью которых мы добрались до такого уровня. Это прямоугольная рамка из кварцевого стекла, её не очень хорошо видно. Так что давайте покажу в более крупном размере. Вот, у меня такая же, только больше. Эту штуку можно заставить вибрировать, и она будет это делать с постоянной частотой. Мы можем отмечать очень-очень слабые изменения в силе по силе колебаний вверх-вниз.
Ставим старый добрый лазерный интерферометр, который фиксирует движение, измеряем смещение вот этой части на конце, а рядом проводим очень тонкое оптическое волокно, в которое светят лазером определённой мощности. То есть здесь используется сила давления фотонов. Отражение света поверхностью даёт очень слабую силу. Если изменять её по синусоиде плавного времени, то вот эта часть будет заниматься и опускаться. Она начнет вибрировать, и мы увидим разницу. Даже настолько маленькую, что измерять её нужно в фемтоньютонах.
То есть получается, вы можете измерить силу луча лазерной указки? Да, да, определенно можем. Мы уже это делали. Если я посвечу туда своей указкой, это будет примерно приблизительно сила всем пика Ньютонов. Повторюсь, это сколько нужно, чтобы распрямить молекулу ДНК. Можно задам глобальный вопрос? Да, конечно. Кому вообще надо измерять такие слабые силы? Это отличный вопрос. Тут есть два на этот вопрос, два разных ответа.
Во-первых, всё это актуально для промышленности. В автоиндустрии нужно знать массу аэрозольных частиц, которые выбрасываются с выхлопом. Особенно в дизельных системах загрязнение этими частицами — это серьёзная тема. Поэтому нужна возможность измерять даже 50 мкг таких частиц, чтобы добиться соответствия экологическим стандартам. Измерение силы лазера нужны тем, у кого в промышленности задействованы лазеры. Такие измерения можно применять, когда калибруют мощность луча, например, в фармацевтике. Есть дозы в миллиграммах.
Другой важный аспект, и за что я люблю институт стандартов и технологий — благодаря таким измерениям наука может двигаться вперёд. Более точные измерения позволяют совершать открытия, которые, в свою очередь, помогают проводить более точные измерения. И поэтому я очень люблю наш институт. Мы создаем все необходимые условия для такого постоянного роста.