Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

В центре расположен международный эталон килограмма – цилиндр диаметром 39 мм, состоящий из платины и иридия. Эталон килограмма постоянно находится под тремя стеклянными колпаками, сложенными по принципу матрешки. В ячейке, где находится эталон килограмма, тщательно контролируется температура и влажность. Вокруг находится шесть его официальных копий, каждая под двумя стеклянными колпаками. Копии изготовлены с разрешения МБВМ, которое обладает официальными авторскими правами на килограмм

По причинам исторического характера (многие великие деятели французского Просвещения были страстными метрологами) Международное бюро мер и весов находится поблизости от Парижа. Оно задает стандарты для всех остальных бюро стандартов в мире, гарантируя, что все «франшизы» соответствуют эталонам. Одно из самых исключительных достижений этого бюро – создание эталона килограмма. Эталон килограмма представляет собой цилиндр, на 90 процентов состоящий из платины, имеющий высоту 39 миллиметров. Масса этого цилиндра по определению составляет 1,000000000… (еще сколько угодно нулей) килограмм.

Поскольку эталон килограмма – это физическое тело (которое можно повредить), а также потому что эталон должен оставаться постоянным, МБМВ должно гарантировать, что это цилиндр никогда не будет поцарапан, на него не сядет ни пылинки, не исчезнет (бюро на это рассчитывает!) ни единый атом! Если произойдет что-либо подобное, то масса эталона может взлететь до 1,0000000… 1 кг или, наоборот, рухнуть до 0,9999999…9 кг. Сама возможность такого происшествия не дает спокойно спать сотрудникам бюро стандартов. Поэтому они, как няньки, постоянно отслеживают температуру и давление в ячейке, чтобы исключить малейшее расширение или сжатие – любое возмущение, которое могло бы потревожить атомы. Поверх эталона установлено три стеклянных колпака, которые должны предотвратить конденсацию влаги на цилиндре и образование тончайшей водяной пленки на его поверхности. Килограмм изготовлен из металлов с очень высокой плотностью, – платины и иридия – чтобы минимизировать поверхностную площадь эталона, соприкасающуюся с тем грязным воздухом, которым мы дышим. Кроме того, платина превосходно проводит электричество, поэтому на эталоне почти не накапливается «паразитическое» статическое электричество, которое могло бы притянуть к цилиндру лишние залетные атомы.

Наконец, исключительная твердость платины сводит к минимуму вероятность возникновения случайных царапин в тех редких ситуациях, когда люди все-таки прикасаются руками к эталону килограмма. В других странах нужны собственные 1,00000000… -килограммовые цилиндры, чтобы не приходилось летать в Париж всякий раз, когда требуется измерить точный вес какого-либо предмета. Поскольку эталон килограмма находится именно во Франции, все национальные эталоны должны сравниваться с ним. Так, США обладают цилиндром К20 (то есть двадцатой официальной копией), который хранится в государственном учреждении в штате Мэриленд. По словам Зейны Джаббур, руководительницы отдела по работе с массой и силой Национального института стандартов и технологий, с 2000 года этот образец калибровался лишь однажды, причем это было сделано в рамках другой калибровки. Но калибровка – это многомесячный процесс, а новые требования по соблюдению безопасности, принятые в 2001 году, превратили доставку К20 в Париж (на самолете) в изрядную проблему. «На протяжении всего полета нам приходилось носить наш эталон на руках, – вспоминает Джаббур, – можете себе представить, как сложно пронести в аэропорту металлический слиток через все службы безопасности, постоянно внушая сотрудникам, что прикасаться к эталону нельзя». Ведь даже когда приходилось открывать в «пыльном аэропорту» специальный кейс, в котором хранится национальный эталон килограмма, это могло повредить цилиндр, «ну а если бы кто-нибудь до него дотронулся, то о калибровке можно забыть».

Как правило, МБВМ использует для калибровки национальных эталонов одну из шести официальных копий килограмма (каждая из них хранится под двумя стеклянными колпаками). Но официальные копии также должны быть сверены со стандартом. Поэтому раз в несколько лет ученые достают килограмм из ячейки. (Разумеется, это делается при помощи щипцов, специалисты надевают латексные перчатки. Конечно, дело не в том, что они боятся оставить отпечатки, а в том, что более распространенные перчатки, покрытые тальком, могут оставить пыль. Наконец, эталон нельзя слишком долго держать в руках, поскольку из-за этого он может нагреться – и вся работа пойдет насмарку.) Таким образом, эталоны калибровки тоже калибруются[160]. В ходе всех калибровок, выполненных в 1990-е годы, ученые с тревогой заметили, что эталон килограмма потерял за последние несколько десятилетий почти целый вес отпечатка пальца (!), то есть терял до половины микрограмма в год. Это странное явление пока не удается объяснить, даже с поправкой на то, что при прикосновении к эталону от него могут отлетать какие-то единичные атомы.

Когда стало очевидно, что поддерживать массу эталона килограмма неизменной не удается – это действительно так, – вновь начались дискуссии о том, что этот цилиндр пора вывести из употребления. На самом деле, это голубая мечта всех ученых, буквально зациклившихся на работе с цилиндром. Наука во многом обязана своим прогрессом, достигнутым с 1600 года до наших дней, именно тому, что ученые по мере возможности старались объективно смотреть на окружающий мир, не поддаваясь принципу «человек – мера всех вещей». Этот прием именуется принципом Коперника или, менее образно, принципом заурядности. Килограмм является одной из семи основных единиц измерения, которые пронизывают все научные дисциплины. В настоящее время уже неприемлемо, чтобы эталоном столь важной единицы был артефакт, изготовленный человеком, особенно если такой эталон может таинственным образом уменьшаться.

Английское бюро национальных стандартов выступило с амбициозным заявлением: каждая универсальная единица должна быть такой, чтобы ученый мог переслать по электронной почте определение этой единицы коллеге на другой континент, а коллега мог легко сам получить ее эталон, просто воспользовавшись параметрами, указанными в письме. Эталон килограмма не соответствует этому требованию, и никому пока не удалось определить эту единицу точнее, чем при помощи невысокого блестящего кованого цилиндра, хранящегося в Париже. Конечно, предлагались и другие варианты выведения эталона килограмма, но они практически неприменимы на практике, так как требуют либо подсчитывать триллионы атомов, либо выполнять измерения, слишком точные даже для самых современных инструментов. Невозможность решения этой проблемы с килограммом – так, чтобы ни утяжелить, ни облегчить эталон ни на самую малость, – вызывает все большее беспокойство и раздражение в международных масштабах, как минимум среди дотошных метрологов.

Проблема стала тем более острой, когда килограмм остался единственной единицей измерения, чей эталон имеет искусственное происхождение. На протяжении большей части XX века в Париже хранился эталон метра – платиновый стержень, имевший длину 1,000000000… метра. Но в 1960 году ученые дали новое определение метра, обозначив эту единицу как 1 650 763,73 длины волны оранжевого света, проходящего через атом криптона-86. Это расстояние практически идентично длине старого доброго стержня, но теперь платиновый эталон метра уже устарел, поскольку длина волны оранжевого света в любом атоме криптона в вакууме всегда остается одинаковой. Такое определение можно переслать по электронной почте. С тех пор ученые-метрологи предложили еще одно определение метра: это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458-ю долю секунды.

Аналогично, официальным определением секунды считалось время, за которое Земля преодолевает путь в 1/31 556 992 околосолнечной орбиты (это 365,2425 суток). Но нашлись некоторые неудобные факты, из-за которых пришлось отказаться от этого стандарта. Длина года – не календарного, а астрономического – разная при каждом обороте Земли вокруг Солнца. Виной тому приливы, которые постепенно искривляют земную орбиту и замедляют планету. Чтобы скорректировать эту неточность, метрологи раз в три года добавляют к календарю корректировочную секунду. Это происходит в полночь 31 декабря, когда ее обычно никто не замечает. Но корректировочные секунды – это некрасивое, временное решение. Специалисты американского бюро стандартов решили, что не стоит привязывать единицу времени, претендующую на универсальность, к периоду обращения крохотной планетки вокруг заурядной звезды. Поэтому были изобретены атомные часы, в основе работы которых лежит радиоактивный распад цезия.

Механизм работы атомных часов связан с тем самым процессом стремительного подъема и спуска возбужденных электронов в атоме, который уже обсуждался выше. Но атомные часы также используют и более незаметные движения, укладывающиеся в «тонкую структуру» электрона. Если обычный прыжок электрона напоминает изменение голоса вокалиста, который пел ноту «соль» и сразу перешел на ноту «соль» другой октавы, то движение в рамках тонкой структуры напоминает изменение высоты с «соль» до «соль-диез». Проявления тонкой структуры наиболее заметны в магнитном поле и обычно обусловлены факторами, которые можно смело игнорировать, если только вы не изучаете исключительно сложный университетский курс физики. Речь идет о магнитных взаимодействиях между протонами и электронами либо о поправках, которые делаются с учетом эйнштейновской теории относительности. С учетом всех этих мельчайших поправок[161] электрон оказывается после прыжка чуть ниже (соль-бемоль) или чуть выше (соль-диез), чем ожидалось.