Шок! Килограмм становится всё тяжелее — объясняем почему

По мнению исследователей из университета Ньюкасла в Соединенном Королевстве, килограмм, становится все тяжелее. Как это может быть?
Главным образом потому, что мы говорим об эталонном килограмме.
Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в г. Севр близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39.17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия). Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

Так почему же он стал тяжелее?

Используя уникальную технологию Theta-зондирования, профессор Питер Кумпсон и доктор Наоко Сано из Университета Ньюкасла провели анализ поверхности эталона и определили, что Международный прототип (эталон) килограмма количественно нарастил углеводородные загрязнения на своей поверхности. Их исследование показывает, что Международный прототип (эталон) килограмма, вероятно, набрал десятки микрограммов в массе, так как стандарт был введен в 1875 году. Но так как это килограмм, которому должны соответствовать все килограммы в мире, в теоретическом смысле по крайней мере, все килограммы, будут технически тяжелее тоже.
Хотя увеличение эталона килограмма на десятки микрограммов могут показаться незначительным, Питер Кумпсон утверждает, любое несоответствие между Международным прототипом (эталоном) килограмма и его репликантами может быть проблематичным. «Есть случаи, международной торговли с материалами высокой стоимости – где каждый последний микрограмм должен быть учтен”. Наросшие углеводороды могут быть удалены воздействием смеси ультрафиолетовых лучей и озона.

Ситуация осложняется тем, что в мире существует 39 точнейших копий хранящегося в Париже эталонного килограмма, которые в свое время были направлены в различные страны мира для поддержания единой системы мер и весов. Сейчас, по мнению ряда ученых, они начинают все больше отличаться друг от друга по весу из-за климатических и иных условий, существующих в различных частях планеты.
«Произошедшая в мире индустриализация и характер функционирования современного общества привели к тому, что поверхность эталонного килограмма приобрела налет в виде дополнительных частиц, — утверждает научная группа из университета Ньюкасла. — Мировая система стандартного веса оказалась сейчас под угрозой создания в ней хаоса. Мы пришли в ужас, когда увидели, что на поверхности хранящегося в Великобритании одного из 40-а эталонных килограммов скопились частицы ртути», — сказал руководитель работ профессор Питер Кэмпсон.
Согласно полученной изданием информации, сейчас обсуждается вопрос о том, чтобы провести специальную «очистку от пыли» поверхностей всех 40 эталонных килограммов с тем, чтобы возвратить им единый вес.
На конференции Королевского научного общества в Лондоне 24–25 января Ричард Дэвис, бывший глава отделения масс Международного бюро мер и весов (расположено в городе Севр близ Парижа), предложил смягчить четкость определения. В качестве временной меры перед переопределением «массы килограмма» он предложил усреднять спорные массы. Так, если результаты двух экспериментов разных типов по определению массы не совсем согласуются, их следует просто усреднить, а полученное значение объявить новым стандартом, цитирует предложение ученого Nature News.
Однако у этого плана есть масса противников. «Решение просто-напросто усреднить два несогласующихся результата было бы совершенно математически верным, но это не научный подход», — считает Майкл Харт, физик из Манчестерского университета.
Сторонники усреднения видят в нем путь к движению вперед. «В идеале нам нужно добиться идеальной сходимости измерений. Но если этого не удается, нужно использовать и математический подход», — считает Терри Куинн, бывший директор Международного бюро мер и весов. Он подчеркивает, что расхождения, о которых идет речь, слишком малы, чтобы создавать реальные проблемы для практического применения меры.
Эта разница представляет собой серьезную проблему в долгосрочной перспективе, потому что нельзя оценить, становятся ли копии тяжелее или, наоборот, эталон легче.
Поэтому ученые давно планируют заменить «материальный» эталон килограмма, выразив его через неизменные постоянные величины физики, которые определены с высокой точностью и не меняются. Если это удастся, масса килограмма станет столь же неизменной, как законы Вселенной.
Ученые используют два подхода для поиска точного выражения килограмма: в первом масса килограмма определяется с помощью электрических и магнитных полей, а во втором ее пытаются выразить через постоянную Планка — одну из базовых величин квантовой механики.
Второй метод предполагает непосредственный пересчет числа атомов в сфере из кристаллического кремния. Этот результат позволяет переопределить килограмм в терминах постоянной Авогадро, которая представляет собой число молекул в моле вещества и, фактически, связывает атомную массу элемента с массой макроскопического тела.
В последние годы измерения обоими методами проводились с точностью до 30 миллиардных долей — это предел самых точных измерений массы платино-иридиевого цилиндра. Однако результаты двух типов экспериментов расходятся на 175 миллиардных долей — это куда больше разумного с методологической точки зрения.
Это не позволяет официально переопределить меру килограмма, так как причины расхождения неясны и пока не могут быть устранены. Именно поэтому было выдвинуто предложение об элементарном усреднении двух вычислений и таком математическом переопределении килограмма.
Задача переопределения эталона массы со временем становится все более и более острой. «Чем дольше мы будем ждать и совещаться, тем сильнее будет дрейф массы между оригинальным эталоном и его точными копиями. Тогда мы вообще не сможем договориться о том, какую массу считать эталонной. Ситуация выглядит почти сумасшедшей», — признает Куинн.

На данный момент ученые согласились, что атомы кремния идеально подходят для проекта благодаря своей стабильности. В стандартных условиях они почти не разрушаются, а все разрушения легко просчитываемы. «Мы хотим заново определить килограмм на основе массы атома, мы хотим сосчитать атомы в одном килограмме определенного кристалла» говорил профессор Петер Бекер «Мы измеряем объем сферы и объем атома кремния, и когда вы делите кремниевую сферу на объем атома, то получаете количество атомов — все очень просто». В изготовлении эталона принимают участие ученые из многих стран, в том числе и из России. На изготовление кремниевой сферы было потрачено 2 млн евро, причем создавалась она почти 5 лет. По словам руководителя проекта физики уже рассчитали, сколько атомов кремния должно находиться в одном кг и приступили к «сборке», хотя и этот эталон не будет идеально точным, поскольку пока ученые не могут «собрать» эталон в буквальном смысле по атомам.
Производственное объединение «Электрохимический завод» в Зеленогорске Красноярского края поставит сырьё для создания нового международного эталона килограмма — идеального шара из монокристалла изотопа кремния-28, сообщили агентству Интерфакс в пресс-службе предприятия.
Эталон будет изготовлен в виде идеального шара из монокристалла изотопа кремния-28.
Кристалл будет выращен в Институте роста кристаллов Германия из поликристаллического кремния, полученного в Институте химии высокочистых веществ в Нижнем Новгороде. Исходное сырье для эталона — тетрафторид кремния — поставил Зеленогорский ЭХЗ.