Килограммовая дилемма. Часть последняя.
Предыдущие 2 части можно найти тут и тут.
Сколько весит солнце?
В физике постоянно приходится иметь дело с различными величинами и единицами измерения: килограммами, амперами и ваттами – ведь измеряя какой-либо предмет, мы обязательно сравниваем его как с другими, так и с некоторыми стандартными значениями.
Вот, допустим, мы решили узнать массу Солнца в килограммах.
Согласно законам небесной механики, чем массивнее небесное тело, тем быстрее вращаются вокруг него спутники, а чем дальше они расположены, тем медленнее их движение. С помощью подобных рассуждений и математических подсчетов было определено, что Солнце в 330000 раз массивнее Земли.
Но как узнать массу Земли? С помощью закона всемирного тяготения, согласно которому сила притяжения двух тел пропорциональна их массе! Возьмем небольшой шарик и сравним силы притяжения, которые оказывает на него наша планета и какой-нибудь огромный свинцовый шар. Результат, не буду долго томить, показывает, что Земля в 126 миллиардов миллиардов раз массивнее свинцового шара диаметром 2 м.
Теперь измерим (или рассчитаем) объем нашего двухметрового свинцового шара: объем составит 4189 литров. Значит и весит он в 4189 раз больше литра свинца. В заключение взвешиваем литр свинца, получается - 11,35 кг. Уточню, что мой килограмм – копия того самого эталонного, что хранится в Севре.
Следовательно, масса Солнца вычисляется путем умножения всех четырех полученных цифр: 11,35 х 4189 х 126 000 000 000 000 000 000 х 330000 кг, то есть 1,98 х 1030 кг. Это же число можно записать как 1980 с 27 нулями!
Но если масса копии отличается от массы эталонного килограмма, скажем, на 1 %, то и полученный результат будет страдать той же погрешностью. А это ни много ни мало - несколько миллиардов миллиардов килограммов. Теперь, дорогая жертва киберфонда голоса, ты понимаешь, почему так важно иметь максимально точную эталонную единицу измерения?
От теории – к практике
Уф, с теорией вроде разобрались! Дело за малым - найти простой способ воспроизводства самого эталона килограмма, чтобы и его можно было получать также легко, как «эталонный метр домашнего производства». А вот с этим как раз всё обстоит не очень хорошо …
Сегодня существует несколько решений, два из которых наиболее интересны. Первое заключается в «поштучном» подсчете атомов. Атомы кремния, как в конструкторе «Лего», соединяют друг с другом по одному, формируя безукоризненный по форме шарообразный кристалл. (Современные технологии по производству электронных чипов позволяют успешно справиться с подобной задачей.) Впрочем, «успешно» не означает «просто», ведь атомов должно быть очень много!
Физик Рональд Фокс и математик Теодор Хилл провели сложные расчеты и предложили считать килограммом массу, равную массе шара, состоящего из примерно 50 секстильонов (триллиона триллионов) атомов кремния. Главный минус такого метода заключается в том, что среди секстильонов атомов кремния неизбежно попадутся и изотопы – атомы того же кремния, но обладающие другой массой. Создать же идеально «чистый» эталон крайне дорого и вообще вряд ли возможно.
Другое решение опирается на так называемый «баланс ватта». Груз, равный весу эталонного килограмма, помещают в герметичную камеру, из которой выкачан весь воздух. Сверху груза располагают сверхмощный электромагнит. Регулируя ток, проходящий через электромагнит, можно добиться того, что гравитация, тянущая груз вниз, окажется уравновешена силой магнитного поля, созданного магнитом. В этом случае определение килограмма будет «привязано» к напряжению и силе тока.
Главный минус разрабатываемой технологии заключается в том, что контроль за током и напряжением столь сложны, что большинство государств не могут позволить себе изготовить эталон по такому методу: слишком дорого. Да и погрешность измерений составляет в лучшем случае 36 микрограммов. Тем не менее именно этот способ считается наиболее перспективным.
Вывод из всего сказанного таков: хранящемуся в Международном бюро мер и весов платина-иридиевому цилиндру недолго осталось служить эталоном. А каким станет новый килограмм, покажет только время.
