Когда речь идет, например, об эталонном первом свидании, то для всех это будет разное: поход в кино, ужин в ресторане, прогулка со стаканчиком кофе... А вот стандарты, существующие в науке и технике — это совсем другой разговор.
Смотря как мерить: как люди решили сколько будет в метре, секунде и килограмме
Пытаться что-то измерить люди начали довольно давно, и оно понятно: постройка жилища, обмен товарами, засев полей — всего этого не сделать просто на глаз. В качестве мерила использовалось всякое — и локоть фараона, и зерна пшеницы, и солнечные часы... Прошли тысячелетия, прежде чем появились они — эталоны массы, длины и веса. Рассказываем, как они стали не просто инструментом науки и экономики, но показателем статуса государства.
Freepik
Что такое эталоны и зачем они нужны?
Эталон — установленная мера, которая помогает хранить и воспроизводить единицу какой-либо физической величины. Мы можем узнать размер величины, сравнив ее с эталоном или выразив через него.
Технические стандарты обеспечивают нашу безопасность, позволяют науке развиваться, бизнесу добиваться успеха, а государствам занимать ведущие позиции в области научно-технического прогресса. Они как винтики огромного часового механизма — заставляют мир исправно «тикать» и даже предотвращают технологические проблемы, о которых вы даже не подозреваете.
Эталоны (или стандарты) — фундаментальные основы не только науки и технологий, но и повседневной жизни. Без них мир гарантированно погрузился бы в хаос или откатился бы в каменный век. Вот почему они так важны:
- Универсальность и точность. Эталоны обеспечивают единый язык, на котором общаются между собой измерения всех стран. Несмотря на то, что некоторые страны имеют свои собственные «локальные» меры, все они могут быть конвертируемы в нечто универсальное, что не дает случиться глобальной экономической и научной путанице.
Развитие технологий. Все технологические отрасли — от микрочипов до построения ракет — требуют сверхточных измерений. Например, ошибка в наносекунде может нарушить работу GPS навигации, а погрешность в миллиграмм — превратить лекарство в яд. Отдельного внимания заслуживает секунда — без эталона времени невозможно синхронизировать работу интернета, а финансовые транзакции потерпели бы настоящий крах.
Наука и исследования. Физика, химия, астрономия и даже медицина — все эти области опирается на воспроизводимые эксперименты, а значит — на точные измерения. Например, с 2019 года наука определяет килограмм с помощью постоянной Планка. Это позволяет ученым всего мира проводить расчеты практически без погрешностей.
Глобальная экономика и торговля. Представьте, если бы в одной стране килограмм составлял бы 800 граммов, а в другой — 1100. Возможен бы был честный обмен полезными ископаемыми, драгоценными металлами другими товарами? Вряд ли. Только финансовые потери и конфликты. Эталоны обеспечивают честность и справедливость сделок любого масштаба — от покупки продуктов до поставок нефти.
Повседневная жизнь. Самые обычные и привычные для нас вещи — от приготовления блюда по рецепту из интернета до заправки автомобиля топливом — требуют единых и хоть сколько-нибудь точных мер. Что уж там говорить, без эталонов мы бы не смогли поставить будильник и постоянно опаздывали бы на работу.
Но и это не все! Мы можем определить физическую величину либо путем указания того, как она измеряется, либо путем указания того, как она рассчитывается на основе других измерений. Например, мы можем определить расстояние и время, указав методы их измерения, такие как использование метровой линейки и секундомера. Тогда мы могли бы определить среднюю скорость, заявив, что она рассчитывается как общее пройденное расстояние, деленное на время в пути.
В мире используются две основные системы единиц: единицы СИ (SI — system international) или метрическая система, а также английские единицы (также известные как имперская система). Английские единицы использовались в странах, которые были частью Британской империи, и до сих пор широко используются в США.
Эволюция метра: от длины меридиана до скорости света
Первоначально метр определялся как 1\10000000 (одна десятимиллионная) часть четверти парижского меридиана. В 1799 году французские ученые завершили измерения и создали первый официальный эталон — платиновую линейку или «архивный метр».
Один из публичных эталонов метра. Они были установлены на улицах Парижа
Точность традиционных эталонов (платиново-иридиевых линеек, а потом и кадмиевых и криптоновых ламп) ограничивалась погрешностью в 10⁻⁷. Вы подумаете, что это сущие пустяки, но поверьте — для науки это очень много! Технологичные времена требуют точных решений, а значит, нужно срочно отвязаться от материального и привязаться к фундаментальным физическим константам.
Эталон метра, использовавшийся до 1960 года
Ученые пошли путем древних халдеев и связали метр со временем через скорость света. Возникла нестыковочка: чтобы точно определить метр через скорость света, было нужно знать саму скорость с большей точностью, чем был известен метр. Тогда ученые решили признать скорость света в вакууме (299 792 458 м\с) абсолютной константой, а метр стал тем расстоянием, которое проходит свет за 1/299 792 458 долю секунды. Это позволило сделать точность эталона длины на несколько порядков выше.
Первый физический эталон метра изготовил из меди бывший королевский ювелир Этьен Ленуар.
Современный российский эталон метра, хранящийся в НИИ метрологии им. Менделеева в Санкт-Петербурге, представляет собой лазерный источник с точно известной длиной волны и интерферометр для точного измерения длины световых волн. Эта система обеспечивает беспрецедентную точность, необходимую для современных технологий.
О секундах не свысока: как определили эталон времени
Революция произошла и в измерении времени — в 1967 году и секунда перешла на квантовый стандарт. Новое определение гласит: секунда — это интервал времени, эквивалентный 9 192 631 770 периодам излучения при переходе между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Впоследствии это определение было уточнено требованиями о проведении измерений:
- при температуре 0 К (для исключения тепловых помех);
- на уровне моря (чтобы нивелировать гравитационные эффекты);
- при отсутствии внешних электромагнитных полей.
Переход к атомным часам окончательно разорвал многовековую связь единицы времени с астрономическими явлениями. Примечательно, что даже предыдущее определение 1960 года, формально привязанное к тропическому году (1/31 556 925,9747 его часть на конкретную дату), фактически основывалось не на реальных астрономических наблюдениях, а на теоретических расчетах, что делало эту связь чисто номинальной.
То худеет, то полнеет: как взвесить килограмм?
В отличие от других физических величин, эталон массы долго сохранял свою архаичную форму, не привязанную к физическим константам. Это была гиря из сплава платины и иридия, созданная в 1889 году.
Прежде, чем принять эталонный килограмм, Международное бюро мер и весов изготовило целых 42 прототипа!
Принцип измерений оставался тем же — сравнение масс на весах, точность которых позволяет заметить даже самые ничтожные отличия (кстати, именно так были открыты инертные газы, в том числе аргон). Однако главной проблемой килограмма оставалось его искусственное происхождение. Он не имел связи с физическими константами, долго оставался единственным чисто механическим эталоном и был подвержен неконтролируемым изменениям массы. Метрологи были вынуждены хранить его в идеальных условиях: международный прототип доставали из хранилища раз в 15 лет, а российский эталон видел свет чуть чаще — его извлекали раз в 5 лет. И хотя все измерения проводились через систему вторичных и рабочих эталонов, чтобы минимально беспокоить оригинал, главной проблемы это не решало — килограмм постоянно менял массу. Абсурд! Копии все идентичны друг другу, и невозможно понять — это похудел килограмм или потолстели его двойники? Или наоборот?
Международный эталон килограмма (использовался до 2019 года)
Решение пришло только в 2005 году — метрологи всего мира договорились для измерения массы использовать постоянную Планка, но ее неопределенность не должна была превышать 50 × 10−9. Ученые уточняли, уточняли, уточняли... и в 2018 году работа, наконец, была завершена.
В новой Международной системе единиц (СИ) килограмм теперь определяется через фундаментальную квантовую константу — постоянную Планка, которая имеет точное значение — 6,62607015×10⁻³⁴ Дж·с. На практике используются высокоточные электромагнитные весы (так называемый баланс Киббла), где механический вес объекта компенсируется точно рассчитанной электромагнитной силой, величина которой выводится из постоянной Планка. Это дает ряд крупных преимуществ:
Независимость воспроизведения. Любая национальная метрологическая лаборатория может самостоятельно создать собственный эталон, не нуждаясь в сверке с оригиналом.
Стабильность. Постепенные изменения массы физического эталона исключены.
Защищенность. Система неуязвима к рискам повреждения или утраты материального эталона.
Да, возможно, вы и подумали, что метрология — это ужасно скучно, а стандарты и эталоны душат всякую индивидуальность, но поверьте — все это исключительно во благо!