Самый круглый на свете объект [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой. Works. [Музыка.] Можно подержать, если вещей, что очень-очень осторожны. Обещаю, буду очень-очень осторожен, честное слово. Хорошо, обещаю, а то лично только Ланс Ковальски, так что осторожно.
Ну что, мы готовы? Сейчас я коснусь сферы весом 1 килограмм, состоящей из атомов кремния 28! Их примерно 2,15 на 10 в 25. Невероятное ощущение, просто потрясающе! Помимо создателей этой сферы, я один из немногих людей, когда-либо ее державших. Только материал для ее изготовления стоил миллион евро. Теперь же, когда ему придали столь точную форму, а сколько она стоит? Она бесценна.
Перед вами самый круглый объект в мире. Как можно утверждать, что это самый круглый объект? Видите, Земля весьма круглая. Да, если бы это была Земля, то будь это Земля, разница между высочайшей горой и самой глубокой долиной была всего 14 метров. Поразительная округлость!
Но зачем понадобилось вкладывать миллионы евро и тысячи человеко-часов в доведение до совершенства сферы из чистого полированного кремния? Всё дело в могилах. Ну, не совсем. Нам нужно французское слово «грамм».
Изначально называлась основная единица массы метрической системы, с дней известной как система интернациональ. Да нет, или единицы СИ. В 1793 году комиссия, в которую вошел выдающийся исследователь, аристократ Антуан Лавуазье, определила основную единицу массы как вес кубического дециметра воды при температуре плавления льда. По сути, вес литра талой воды.
Название «грамм» восходило к латинскому «гравита», сознающему у вес. Но оно не прижилось, потому что звучало слишком похоже на «граф», довольно высокий аристократический титул вроде британского «эрла». Французская революция была в самом разгаре. Кругом раздавались призывы к всеобщему равенству, и ни одна единица измерения не могла быть знать ни одной другой. Из-за этого Лавуазье голову потерял в прямом смысле, не из-за участия в разработке одной из величайших систем мер всех времен, а из-за того, что собирал налоги, будучи знатного сословия.
Ситуация была и правда тяжелой. Новое республиканское правительство посчитало «граф» слишком большой единицей для практических измерений. Поэтому взяли одну тысячную грамма и назвали «грамм», но вскоре стало ясно, что грамм слишком мал. Поэтому вернулись к «графу», а поскольку такое название претило, назвали его «килограмм», то есть 1000 граммов. И поэтому, из семи основных единиц СИ, только килограмм имеет префикс в названии.
В 1799 году килограмм определили по-новому, как массу литра воды при температуре 4 градуса Цельсия. Именно тогда он был самым плотным. Но понятно, что вода не самый удобный материал, поэтому был создан цилиндр из чистой платины, равный по массе водяному эталону. Этот цилиндр был объявлен килограммом.
Важно отметить, что с того момента килограмм больше не привязан к массе воды. Килограмм архива, и есть по своему определению килограмм. 90 лет спустя в 1889 килограмм модернизировали, заменив цилиндром из платино-иридиевого сплава. Хотя он стал гораздо тверже своего образца, в остальном остался практически идентичным.
И сейчас, в 2013 году, он всё еще служит определением килограмма. Его официальное название - международный прототип килограмма, они официально «le grand K» или «большое K». Да, и выглядит он вот так. Это единственный предмет во всей вселенной, масса и ровно в один килограмм, так как это и есть килограмм. Также это единственная единица СИ, которая всё еще определена физическим телом.
Он покоится под тремя стеклянными колоколами, рядом с шестью такими же цилиндрами в хранилище с климат-контролем, запертые на трех раздельных хранящихся ключах в подвале Международного бюро мер и весов на окраине Парижа. Получается, если бы вам удалось проникнуть в хранилище и что-нибудь сделать с «большим K», вы бы изменили определение килограмма, от которого зависят многие наши измерения, ввергнув мир в хаос.
На самом деле, нет. Но если бы масса эталона изменялась, смогли бы мы это узнать? При его создании было также сделано 40 очень точных копий, хотя не совсем идентичных, их масса немного отличалась от «большого K», но эти расхождения были записаны. Так вот, эти образцы были разосланы в разные страны по всему миру в качестве государственных эталонов.
В 1948 эти килограммы собрали вместе для контрольного взвешивания. Вот тогда-то и начались проблемы, потому что хотят цилиндры, были сделаны из одного сплава и хранились практически в одинаковых условиях, их массы расходились всё больше. Масса «большого K» не совпадала даже с его шестью близнецами.
Хуже того, когда эталоны измерили вновь, спустя 40 лет, их масса разошлась еще больше, вплоть до 50 микрограмм. Примерно столько весит отпечаток пальца. Но отпечатки тут ни при чем. «Килограмм» бережно вымыли перед взвешиванием, значит, массу цилиндров изменили какие-то физические процессы. Но какие именно, остается предметом домыслов.
Точно мы знаем одно: масса платино-иридиевого цилиндра нестабильна во времени, и это большая проблема. Нельзя иметь единицу измерения с непостоянным значением, и это сказывается не только на взвешивании. Поскольку из семи основных единиц СИ, четыре зависят от массы килограмма, не говоря уже обо всех производных единицах, таких как ньютон, джоуль и ватт.
А вот тут те из вас, кто живет в странах, не перешедших на метрическую систему, да, вы, Либерия, Бирма и США, должно быть, вы очень довольны тем, что ваша единица массы - фунт, системы «империи», не имеет физического эталона. Технически всё верно: 1 фунт это 0,45359237 килограмма. А не повезло вам.
И так ясно, что нужно как-то устранить зависимость килограмма от физического тела. И вот тут в дело вступает кремниевая сфера. Но как именно это поможет? Это ведь тоже физический талон. Чем он принципиально отличается от других? Мы же хотим от них отказаться. Да, мы хотим уйти от физических эталонов.
Конкретно этот объект нам нужен для того, чтобы посчитать, сколько в нём атомов. Но ведь невозможно просто пересчитать все атомы. Или можно пересчитать? Невозможного нет! Но можно высчитать их количество, ведь сфера сделана из чистого кремния, и вся структура однородна, то есть это как бы идеальный кремниевый кристалл.
Именно сфера сделана не просто из кремния, она содержит лишь конкретно его изотоп - кремний 28. Вот почему исходный материал был такой дорогой. Почему сфера? Ну, сфера - весьма простая форма. Зная диаметр сферы, можно описать все размерные характеристики тела.
Что ж, теперь ясно, почему эта сфера должна быть самым круглым объектом, созданным человеком. Но как достичь столь высокой точности? Сферу изначально сделали чуть крупнее, диаметр этой был примерно на два миллиметра больше, а затем оттачивали ее с помощью всё более мелкого абразива. Мы работаем на атомарном уровне. По сути, чтобы получить сферу, нужны небольшие формы, приходится работать с такой точностью.
Но изготовить сферу - это лишь полдела. После еще надо точно измерить её диаметр. Замеры проводят лазером. Мы берём сферу и помещаем её между двумя лазерами, которые светят с обеих сторон, измеряя расстояние до поверхности. Зная диаметр сферы, можно определить её объем, а поскольку несжимаемое расстояние в кремнии известно с высокой точностью, можно высчитать из кальки именно атомов, из которых она состоит.
Это позволяет иначе определить постоянную Авогадро. Сейчас, в 2013 году, она основана на килограмме. Постоянная, равная числу атомов в 12 граммах углерода-12. Новый подход предлагает использовать число атомов кремния в сфере, чтобы закрепить постоянную Авогадро, и уже через неё определить килограмм.
Таким образом, если саму сферу вдруг потеряют или сломают, это никак не скажется на килограмме, потому что он будет определён не через физическое тело, а концептуально. Вы бы хотели, чтобы официально килограмм определялся, скажем так: "Килограмм - это масса 2,15 на 10 в 25 атомов кремния 28"?
Есть вероятность, некоторая вероятность, что так и будет, но есть и другой подход к пересмотру килограмма, который требует уточнения постоянной Планка с использованием весов Кибла. А ниже весы подходы друг друга дополняют. Каждый из них позволяет проверить другой, и если их результаты сойдутся, и расхождения будут как максимум в районе 20 микрограмм, то уже в 2014 году килограмм может получить новое определение.
И наконец он станет не меняющейся единицей, более не определяемой физическим объектом в подвальном хранилище где-то под Парижем.
Переведено и озвучено студией "Вверх". Гайдар.