Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
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
160
Если требуется выполнить новую калибровку национального эталона килограмма, представители государства должны по факсу отправить официальное заявление, в котором будет следующая информация: 1) подробное описание того, как килограмм будет транспортироваться через службы безопасности аэропорта и французскую таможню, и 2) уточнение того, когда МБВМ должно вымыть эталон – до или после выполнения измерений. Эталон килограмма моют в ацетоне (основа жидкости для снятия лака с ногтей), а потом насухо вытирают безворсовой марлей. После мытья и после каждого употребления сотрудники МБВМ на несколько дней оставляют килограмм в покое, чтобы он стабилизировался, лишь потом к нему вновь можно прикасаться. С учетом всех циклов очистки и измерения процедура калибровки вполне может растянуться на месяцы.
Интересно, что США обладает двумя копиями эталона килограмма – К4 и К20. Копия К20 считается официальной по той простой причине, что она находится во владении США дольше, чем К4. Кроме того, в США есть еще три совершенно неофициальных эталона килограмма, два из которых были приобретены Национальным институтом стандартов и технологий в течение последнего времени. Они выполнены из нержавеющей стали, поэтому гораздо крупнее, чем платиново-иридиевые эталоны. Имея эти стальные цилиндры, а также учитывая все проблемы, связанные с доставкой эталонов в Париж по воздуху, Зейна Джаббур не спешит везти К20 в Париж. Калибровка по стальному эталону на практике тоже вполне приемлема.
В течение прошлого века МБВМ трижды приказывало свезти в Париж все национальные эталоны килограммов для контрольной калибровки, но в ближайшем будущем этого делать не планируется.
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
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.
161
Если быть точным, в основе работы цезиевых часов лежит явление сверхтонкого расщепления электронов. Тонкое расщепление электронов можно сравнить с полутоновым интервалом в музыке, а сверхтонкое – с разницей в четверть или даже в восьмую часть тона.
В наши дни цезиевые часы остаются мировым стандартом отсчета времени, но на практике их все чаще заменяют рубидиевыми часами, поскольку они компактнее цезиевых и их удобнее перевозить. Рубидиевые часы часто доставляют в разные уголки планеты для сравнения и координации стандартов времени в разных регионах мира, точно как международный эталон килограмма.
Электрон «решает», какой прыжок сделать, на основании присущего ему спина. Поэтому электрон не может сразу перескочить с «диеза» на «бемоль». Он обязательно прыгает либо вверх, либо вниз. В атомных часах, напоминающих длинные и тонкие трубки пневмопочты, магнит вытесняет все атомы цезия, внешние электроны которого прыгнули на уровень, соответствующий, скажем, «соль-бемолю». В трубке остаются лишь такие атомы, электроны которых соответствуют «соль-диезу». Эти атомы собираются в специальную камеру, где возбуждаются под действием интенсивного микроволнового излучения. В результате электроны «подскакивают» (то есть поднимаются вверх и падают вниз), излучая при этом фотоны. Каждый прыжок очень упругий, и на него всегда уходит один и тот же (исключительно краткий) период времени. Поэтому атомные часы могут измерять время, просто подсчитывая фотоны. На самом деле, даже не важно, какие атомы вы будете вытеснять – соль-диезные или соль-бемольные, но вы обязательно должны их разделить, поскольку прыжки на разные уровни требуют разного количества времени. Для метрологов такая неточность неприемлема.
Цезий оказался очень удобным материалом для «заводной пружины» в атомных часах, поскольку на внешнем уровне атома этого элемента находится всего один электрон, рядом с ним нет других электронов, которые могли бы его прикрывать. Громоздкие и тяжелые атомы цезия – удобные мишени для мазера, который заставляет их вибрировать. Однако даже в крупном цезии внешний электрон отличается прыткостью. Он успевает совершить за секунду не десятки, не тысячи, а 9 192 631 770 колебаний. Ученые остановились на этой неуклюжей величине, а не, скажем, на 9 192 631 769 или 9 192 631 771, так как именно в 9 192 631 770 колебаний была оценена точная длительность секунды еще в 1955 году, когда были сконструированы первые цезиевые атомные часы. Как бы то ни было, в настоящее время величина 9 192 631 770 считается фиксированной. Единица времени стала первым эталоном, точное значение которого стало возможно переслать по электронной почте. Именно после получения такого универсального определения секунды человечество уже в 1960 году отказалось от платинового эталона метра.
В 1960-е годы научное сообщество признало цезиевый стандарт в качестве механизма универсального отсчета времени.
Хотя этот стандарт и оказался полезен для науки, значительно повысив точность измерения времени, человечество тем не менее что-то потеряло, перейдя на него. Ведь со времен цивилизаций Древнего Египта и Вавилона для измерения времени и записи важнейших событий люди ориентировались на движение звезд и смену времен года. Цезий разорвал эту нить, связывавшую нас с небесами, подобно тому как уличные фонари в больших городах затмили созвездия. Цезий – отличный элемент, но он лишен мифического очарования, присущего Луне или Солнцу. Кроме того, даже основной аргумент в пользу перехода на цезий – универсальность, с которой электроны в атоме цезия вибрируют в любом уголке Вселенной, – также может оказаться не столь бесспорным.
Любовь математика к переменным сравнима только с любовью естествоиспытателя к константам. Заряд электрона, сила гравитации, скорость света – независимо от эксперимента и окружения, в котором он проводится, никогда не изменяются. Если бы они изменялись, ученым пришлось бы забыть о точности, которая отличает естественные науки от гуманитарных, например от экономики, в рамках которых человеческие причуды, а порой откровенный идиотизм не позволяют формулировать универсальные законы.