Килограмм умер, да здравствует килограмм! [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой.
16 ноября представители почти 16 стран съедутся в город Версаль, чтобы проголосовать за изменение эталона килограмма. Кроме того, даже судьба ожидает общепринятую единицу температурой кельвин, единицу количества вещества моль, единицу силы электрического тока ампер. Четыре из семи единиц международной системы в один день отныне систем оси будет опираться на фундаментальные константы, а не на физические артефакты.
Килограмм — посты дни единицы, которые все еще задаются через материальный предмет. С 1799 года он определялся массой металлического цилиндра, хранящегося в Париже. Современный прототип был создан 90 лет спустя, но с прототипом килограмма, или как его называют, "ли огранка", есть проблема. Ученые, сравнивая его вес с идентичными цилиндрами, обнаружили, что их массы расходятся.
На такой стандарт сложно опираться, плюс к нему трудно получить доступ, что делает его использование весьма затруднительным. Как же создать эталон, который не будет меняться, не будет доступен каждому всегда и везде? Вот решение — зафиксировать точно и числовое значение постоянной Планка.
Но как это понимать? Я попробую объяснить. Постоянная Планка показывает связь между частотой фотонов (частиц света) и его энергией. Также мы знаем, что энергия и масса связаны посредством E=mc². Таким образом, постоянная Планка имеет непосредственное отношение к массе. Но на данный момент проблема в том, что постоянная Планка не совсем постоянна. Да, мы рассчитали это число с очень большой точностью, но последние несколько знаков все время меняются.
В отличие от цилиндра из платины и иридия, который хранится при определенной температуре в герметично закрытом хранилище в Париже, ровно один килограмм четко и ясно. Тогда ученые сделали ход конем: они зафиксировали постоянную Планка, и парижский цилиндр перестал быть равным килограммам. То есть это килограмм, но лишь примерно. Зато постоянная Планка теперь точна и определяет килограмм.
Но когда фиксируешь постоянную Планка, лучше 100 раз перепроверить, чтобы оно совпадало со всеми измерениями и массами, к которым мы привыкли. И последние несколько лет ученые по всему миру самыми разными методами вычисляли постоянную Планка с максимально возможной точностью. Один из главных методов — ватт-весы, которые находят соответствие между весом 1 килограмма и электромагнитной силой. И кстати, на эту тему я снял отдельный ролик.
Также ученые создали, возможно, идеально круглый объект из однотипных атомов кремния. Все методы дополняют друг друга, так что теперь стало возможным сравнить значение постоянной Авогадро, полученные физическими и химическими методами, и таким образом выяснить, какой должна быть постоянная Планка. Если ученые будут единодушны, в будущем постоянная Планка будет равна вот этому числу: константа зафиксирована, а цилиндр больше не будет точным эталоном килограмма.
Но нельзя поменять только килограмм и на этом остановиться, ведь с ним связаны другие единицы СИ. Взять тот же моль, сейчас определяется как количество вещества с таким же числом атомов, какое содержится в 12 граммах углерода-12 — это постоянная Авогадро. Но мы упираемся в вопрос: что такое 12 граммов и что такое килограмм? Значит, постоянной Авогадро тоже нет точно.
Но после голосования ученые планируют закрепить за постоянной Авогадро вот это число, таким образом чтобы она соответствовала новой постоянной Планка. Постоянная Авогадро тесно связана с постоянной Планка. Ампер тоже перестанет зависеть от килограмма: теперь он будет определяться новым фиксированным значением заряда электрона. Кельвин будет опираться на вновь определенную постоянную Больцмана, которая привязывает температуру газа к средней кинетической энергии молекул, и опять же никакой неопределенности.
Но на что повлияют эти изменения? Для большинства — ни на что. Например, фрукты будут весить как и прежде, с температурой тоже ничего не произойдет. В общем-то, ничего особо не поменяется. Так и должно быть: мы изменяем эталоны не чтобы все поставить с ног на голову, а чтобы надежно закрепить определенные меры. Мы просто убираем привязку к физическому объекту, что, по крайней мере теоретически, позволит нам выполнить точнейшие измерения в любых условиях.
Но я обязан предупредить, что вольт все-таки изменится на одну десятую миллионную, а сопротивление на чуточку меньше. Все потому что в 1990 метрологи решили больше не измерять эффективную постоянную Планка, оставить ее такой, какая она была тогда, в '90. В этом были плюсы: не нужно возиться с переопределениями. Мы инструментами, но теперь, когда благодаря более точным методикам мы поняли, что значение постоянной Планка изменилось, теперь метрологам им придётся подстраиваться.
Но это не очень большой процент людей от всего населения Земли, они привыкнут. Я не раз задавал себе вопрос: почему меня так живо интересует эта тема? Я снял про это четыре ролика. Причина в том, что для меня мир, вселенная — это очень запутанная история. И когда нам удается описать числами какие-то явления, это значит, что мы упорядочили кусочек хаоса нашей вселенной и стали чуть ближе к пониманию мира.
Измерение — это основа науки. Благодаря им возможны наблюдения. Вряд ли кто-то будет спорить, что Кеплеру удалось вывести эллиптическое движение планет благодаря тому, что Тихо Браге провел самые точные наблюдения их положений за всю историю. Это не совпадение и не случайность. Обнаружение бозона Хиггса в ЦЕРНе или открытие гравитационных волн — на мой взгляд, это высшие достижения человечества.
Мне кажется, есть высоты, с которыми не сравнятся даже образцы литературы или изобразительного искусства. Я не хочу принижать их, всего это тоже требует больших умственных усилий. Я не говорю, что ученые умнее, но система инструментов, с которыми они работают, вот что позволяет совершать такие огромные прыжки. Наука создает сама себя, причем делает это всё лучше и быстрее. Вот почему это так важно для меня. Мы переходим на новый уровень измерений, но мы больше не ограничены физическими объектами.
До сих пор мы делали то же, что Индиана Джонс в той сцене. Но теперь мы шагнули дальше на уровень абстракции, увязав все свои понятия с природой и вселенной. Мы освободились от оков материи.
Переведено и озвучено студией Вирт Дай Дар.