Современные меры определяются весьма аккуратно — и только килограмм меряется по эталону, изготовленному еще в XIX веке. Это совершенно неприемлемая точность, и чтобы исправить ситуацию, ученые создали пару самых совершенных сфер в истории человечества.

Существует легенда о том, что великий художник XIV века Джотто ди Бондоне, демонстрируя свое мастерство римскому Папе, нарисовал идеально ровный круг, говоря, что этого более чем достаточно. Сегодняшние ученые превзошли в этой области итальянского мастера и получили пару самых круглых предметов, когда-либо создававшихся человечеством. Правда, они вовсе не собирались поразить Папу, а стремились решить «проблему килограмма».

Сегодня килограмм остается единственным эталоном, связанным с определенным физическим объектом. Эталон метра имеет разве что музейный интерес: сейчас его определяют, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за 299792458-ю долю секунды. Секунда же определяется, как время, «равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Как это понимать — в данном случае неважно. Важно то, что килограмм по старинке меряется по куску металла, хранящемуся в Международном бюро мер и весов под Парижем, и по нескольким десяткам изготовленных его копий. Все понимают, что точный вес этого эталона не такой уж и точный, и к тому же меняется со временем.

Все это и поставило метрологов к «проблеме килограмма», которую они намерены решить в 2011 г., проведя собрание Международного комитета мер и весов. Там они постараются принять новый стандарт веса, а до тех пор необходимо тщательно рассмотреть разные возможности. Одну из них прорабатывает группа ученых, объединившихся в «Проекте Авогадро»: они намерены определить килограмм, как определенное количество атомов кремния. Но какое именно? Для этого и понадобились идеальные шары.

Создание их — длительный и сложнейший процесс, начавшийся в России. Здесь, на сверхточных центрифугах, подобных тем, на которых идет очистка уранового топлива, прошел процесс очистки кремния-28. Материал перевезли в Германию, где из него (на оборудовании, сконструированном еще во времена ГДР) тщательным образом вырастили почти совершенный кристалл. Это удалось только после шести неудачных попыток — а затем кристалл «нарезали» 5-килограммовыми блоками и отправили в Австралию.

В местном Центре высокоточной оптики блоки превратили в шары — благодаря опытному мастеру, инженеру Ахиму Лейстнеру (Achim Leistner), который занимается этим не первый десяток лет. Он использовал практически ту же ручную технику, которую применял еще Исаак Ньютон, изготовлявший линзы для телескопов тремя столетиями ранее. Сам Лейстнер счел эти сферы своим личным рекордом и шедевром — пара шаров диаметром ровно 93,75 мм, весящих ровно 1 кг, в соответствии с местным австралийским эталоном килограмма. Величина шероховатостей на их поверхности не превышает 0,3 нм: если увеличить их до размеров Земли, неровности не превысят 12−15 мм в высоту.

Конечно, такая точность не была доступна ни Ньютону, ни его последователям даже пару десятилетий назад. Все это стало возможным благодаря современным технологиям — например, талиронду, иначе говоря кругломеру, который способен «заметить» отклонения от идеальной окружности с разрешением до 5 нм. Управляемый компьютером, он позволил австралийцам быстро замечать и корректировать все несовершенства.

В ближайшие годы несколько групп специалистов из Италии, Бельгии, Японии и США попытаются независимо друг от друга подсчитать число атомов в каждой сфере. Это не самая простая задача. Чтобы весьма точно определить объем шара будут использованы мощные оптические интерферометры, способные с высочайшим разрешением замерить дистанцию между 60 тысячами точек на поверхностях сфер. Параллельно этому рентгеновская кристаллография позволит заглянуть внутрь кристаллической структуры и оценить плотность расположения отдельных атомов кремния. Ну а зная плотность и объем установить число частиц сможет даже школьник. После этого результаты, полученные разными группами ученых, будут сравниваться — главное, чтобы они более-менее совпали.

Впрочем, даже если все команды, входящие в «Проект Авогадро», придут к одинаковым результатам, до того, чтобы такой эталон был принят Международным комитетом мер и весов, останется еще долгий путь. Ряд ученых полагает, что такой подход состоит лишь в замене одного привязанного к предмету стандарта другим. Они считают, что килограмм следует переопределить в терминах электромагнитных полей. Действительно, влияние этих сил может быть измерено намного проще и намного точнее, чем, скажем, размеры сфер. Правда, пока что сторонникам этого подхода не удается прийти ни к общей формулировке, ни к единым результатам.

Кстати, еще одни практически идеальные шары нашли применение в совершенно другой сфере — как часть почти совершенных гироскопов, которые были отправлены в космос, чтобы подтвердить эффекты Общей Теории Относительности. Читайте об этом: «Шары в космосе».

По информации New Scientist Tech