Можно подержать?
Только если очень, Очень осторожно.
Я обещаю, я буду _Так_ осторожен.
Я буду неимоверно осторожен с ней. Я обещаю.
Она скользкая, будь осторожен.
Ладно, мы готовы?
Я собираюсь дотронуться до 1 килограммовой сферы
атомов кремния-28. В ней примерно 2.15x10^25 атомов.
Это просто невероятно. Вау, это потрясающе!
Кроме создателей, я один из немногих кто
когда-либо держал эту сферу.
Только один материал стоил 1 млн евро
но теперь, когда она
на столько точно смоделирована --
Сколько она стоит?
Она бесценна. ... То на что вы смотрите сейчас -
самый круглый объект в мире.
Как вы можете так уверенно заявлять, что это
самый круглый объект. Ну, Земля достаточно круглая,
не так ли?
Если бы это была земля...
Если бы это была земля, то разница между
самой высокой горой и самой низкой впадиной была бы...
примерно 14 метров.
Это ошеломляюще. Она ошеломляюще круглая.
Но зачем кому-то вкладывать один миллион евро
и тысячи человеко-часов доводя до совершенства
чистую, отполированную сферу из кремния.
Ответ - grave (могила). Или точнее "грав"
как это произносится в оригинале
на французском.
Видите ли "грав" было оригинальным названием
основной единицы массы в метрической системе
которая стала Systeme International d'unites или системой СИ.
В 1793, комиссия, которая включала в себя
известного ученого и аристократа Антуана Лорана Лавуазье
установила значение основной единицы массы, как веса
кубического дециметра воды при температуре
таяния льда -- в общем литра
ледяной воды. Название "грав" произошло от
латинского gravitas, означающего "вес".
Но так было не долго. Слово звучало очень похоже
на аристократический титул "Граф".
В самом разгаре Великой французской революции
с лозунгом "равенство для всех", было
недопустимо иметь одну единицу благороднее
другой. Тогда же Лавуазье потерял голову.
Буквально... Но не потому что помог разработать одну
из величайших систем измерения всех
времен, а потому что собирал налоги
как дворянин.
Так что это действительно обернулось "могилой".
Новое республиканское правительство считало,
что грав это слишком много для тех вещей, которые
они хотели измерять. И так они договорились
использовать грамм, который был одной тысячной
от грава.
Но вскоре они поняли, что грамм слишком маленькая
единица, так они вернулись к граву. Но
раз они не могли его так называть, они придумали
килограмм -- тысяча грамм. И поэтому
из всех семи базовых единиц системы СИ,
килограмм единственный имеет префикс
в названии.
В 1799 определение килограмма уточнили
теперь это масса литра воды при температуре 4 градуса
по цельсию -- температура при которой она
наиболее плотная. Но очевидно, вода
не самый лучший выбор, для стандарта массы.
Так был создан цилиндр из чистой платины
той же массы что и "водный стандарт"
и он был определен как Килограмм (kilogram of the archives)
Следует заметить, что в наше время
килограм больше не привязан к массе
объема воды -- килограмм (kilogram of the archives)
по определению, есть Килограмм.
Спустя 90 лет, в 1889 эталон килограмма заменили
на целиндр платино-иридиевого сплава.
он был значительно тверже, чем оригинал, но
в основном был идентичным ему.
И по сей день он остается эталоном килограмма.
Официальное название - Международный
Прототип Килограмма, хотя он так же известен
как Le Grand K -- или Большой К (Big K). А, и он
примерно вот такой...
Это единственная вещь во всей вселенной,
которая имеет массу ровно одного килограмма, потому что
это и есть килограмм. Это так же единственная единица
системы СИ, которая до сих пор представлена физическим объектом.
Эталон находится под тремя куполами, рядом со своими
шестью братьями килограммами, в кондиционируемом
хранилище, закрытом тремя независимыми
ключами, в подвале Международного
Бюро Мер и Весов на окраине Парижа
Если бы вы могли проникнуть в хранилище
и изменить эталон, вы бы поменяли
значение килограмма, значение на котором
базируются многие, наши измерения. И так
вы бы повергли мир в хаос! Ну..
нет, не совсем. Но как мы узнаем
что масса Килограмма изменилась?
Изначально, на ряду с первым прототипом, создали
40 дубликатов. Хотя они не совсем
и идентичны - они имели массу немного
отличающуюся от эталона, но эти отклонения
были зафиксированы. Эти дубликаты были разосланы
в разные страны по всему миру, что бы служить
национальными стандартами этих стран.
В 1948 дубликаты были собраны для взвешивания
И вот тогда начались проблемы.
При том что все цилиндры были из одного сплава
и хранились практически
в одинаковых условиях, их масса со временем
начала разниться. Даже масса эталона (Big K) отличалась
от его шести братьев, хранившихся с ним.
И что еще хуже
они были собраны вместе еще раз 40 лет спустя
и их масса еще больше разнилась, примерно до
50 микрограмм - это примерный вес отпечатка
пальца. Но отпечатки были не причем
потому что эталон и дубликаты были аккуратно
очищены перед их взвешиванием.
Так что какие-то физические процессы должно быть
изменили массу целиндров, но теперь
об этом можно только догадываться.
Одно наверняка, масса платино-иридиевого
цилиндра не стабильна с течением времени. И это большая
проблема. Нельзя иметь единицу измерения которая
изменяет свое значение.
И последствия не ограничились измерением одной
массы. Потому что из семи единиц системы СИ,
четыре базируются на килограмме
не говоря уже о производных единицах как
Ньютоны, Джоули и Ватты.
В данный момент те из вас, кто живет в странах которые
до сих пор не перешли на метрическую систему -- Да, я
говорю о Либерии, Бирме и США -- вы можете быть
довольны собой, что ваши единицы измерения массы,
фунт системы Эвердьюпойс, больше не представлен
физическим объектом. Нет, вместо этого
установлено, что его масса равна 0.45359237
килограмма. Выкусите.
Ясно, что нужно что-то сделать, что бы килограмм
не был зависим от физического объекта
и вот где кремниевая сфера приходит на помощь.
Но как именно она нам поможет?
Вот у вас физический обхект и он красив.
Но ведь это опять физический объект...
Это то от чего вы пытаетесь избавиться.
Мы пытаемся избавиться от физического
объекта, но что мы сейчас делаем это
считаем сколько атомов в этой сфере.
Вы не можете посчитать сколько там атомов
правда?
Мы не можем посчитать сколько там, но
можем вычислить это, потому что
это кремний, в нем нет пустоты
или смещений.
Так значит это как совершенный кристал кремния.
Точно.
Это не только чистый кремний, он содержит только
один изотоп кремния, кремний-28, и это
объясняет почему материал был такой
дорогой.
А почему сфера?
Ну, сфера достаточно простой объект.
Если вы знаете диаметр сферы, вы
можете вычислить весь размер
объекта.
Так это объясняет почему сфера должна быть
самым круглым объектом, когда либо создававшимся.
Как вы можете сделать что-то на столько круглым?
На самом деле мы начали со сферы заведомого большего
размера. Она была примерно на 2мм больше в
диаметре и затем мы просто шлифовали её
тоньше и тоньше используя абразивы. Фактически
растирая атомы. Мы дошли до такого уровня
стараясь контролировать форму этого объекта
что делаем это на атомарном уровне.
Но создавать сферу это только пол дела,
затем нужно еще измерить её диаметр.
Диаметр на самом деле измеряется лазером.
Фактически сфера расположена по центру
и мы направляем лазер
с двух сторон и тем самым измеряем расстояние
между ними.
Зная диаметр вы можете определить её объем.
И поскольку расстояние между атомами в
кремнии известно с высокой точностью, вы можете
рассчитать из скольки атомов состоит сфера.
Это позволяет переопределить постоянную Авогадро.
На данный момент определение постоянной Авогадро
базируется на килограмме. И она равна
количеству атомов в 12 граммах углерода 12.
Но используя этот подход, количество атомов
кремния в сфере, будет использовано
что бы установить постоянную Авогадро, которая
затем определит килограмм.
Так что даже если бы сфера потерялась или
была испорчена, это не повлияло бы на определение
килограмма, потому что он бы уже не был
представлен физическим объектом.
Вам бы понадобилось только знать официальное
определение килограмма, к примеру "масса килограмма
это 2.15х10^25 атомов кремния-28"
Да.
Это произойдет когда-нибудь?
Есть вероятность, большая вероятность что
это произойдет.
Но есть и другой способ переопределить
килограмм, которая связана с установкой "постоянной
Планка" и это делается с помощью такой вещи как
Ватт баланс. Эти два подхода дополняют друг
друга. Один проверяет другой и
если они подтверждают друг друга достаточно и
если при них погрешность менее двенадцати
микрограмм, они могут переопределить килограмм
уже к 2014 году. И затем килограмм наконец-то
будет неизменной величиной, более не привязанным
к физическому объекту хранящемуся в подвальном
хранилище, где-то в Париже.
Раз килограмм изначально был массой литра воды при температуре
когда она наиболее плотная, на сколько точно это было?
Ну если вы измерите литр воды при температуре
около 4-х градусов - его масса составит 999.975
грамм. Я думаю вы можете посмотреть на это с
двух сторон. Во-первых вы можете сказать, что килограмм
немного тяжелее, чем он должен быть, но
с другой стороны, ученые 214 лет назад
смогли создать предмет, который был точным в пределах
допустимой погрешности до массы рисового зернышка.
Да, это удивительно. Если вы хотите
узнать больше о Ватт Балансе, дайте мне
знать в комментариях и я попробую что-то
сделать. Похоже это основной кандидат
для переопределения килограмма, так что
нам остается только наблюдать за этим. Еще
одна вещь - я должен напомнить, что в создании
кремниевой сферы участвовали ученые
разных стран, но мне кажется, что нужно
упомянуть ученого который изначально предложил
использование кремния для этих целей.
В 1787 это был никто иной как
Антуан Лоран Лавуазье. Так что он участвовал
в процессе определения килограмма от
начала до конца. Или от колыбели до могилы.
Перевод: Владимир Е. @e_vladimir