Килограмм перестал быть чем-то материальным и стал абстрактной идеей из света и энергии.
20 мая, физики официально заменили старый килограмм — 130-летный цилиндр из платины и иридия, находящийся во Франции, — на новый, определяемый квадриллионами частиц света и постоянной Планка.
С одной стороны, это несомненно важное (и неожиданно сложное) достижение. Теперь килограмм навсегда зафиксирован. Он не может измениться со временем, как это происходило с цилиндром, который все же теряет атомы. В частности, за последний век он потерял примерно 50 микрограммов. Теперь килограмм это истина, идея, которую можно передать на расстояние, не таская с собой цилиндр.
С другой стороны, ну и что теперь? С практической точки килограмм остался тем же. Лишь в очень узких научных прикладных системах нововведение сыграет роль.
Привычные нам секунды, метры и другие единицы измерения за последний век приобрели пугающие определения. Секунда, к примеру, когда-то определялась качанием маятника, а сегодня это “ время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.” Метр — это расстояние, которое проходит свет за 1/299,792,458 секунды.
Но масса — это совсем другой вопрос. Обычно мы измеряем килограмм по весу — по тому, как сильно предмет давит на весы. Но это измерение зависит от того, где вы в данный момент находитесь. Если тот легендарный французский цилиндр привезти на Луну, он будет весить значительно меньше. Собственно, даже в разных местах нашей планеты он будет весить чуточку больше или чуточку меньше.
Как объясняет NIST (Национальный институт стандартов и технологий США), новый килограмм выводится из фундаментального взаимоотношения массы и энергии, которое частично описывается в знаменитом эйнштейновском E=mc². А в отличие от массы, энергию проще измерить и определить в абстрактных терминах.
И это благодаря другому уравнению, которое еще старше E=mc². В 1900 году, за пять лет до эйнштейновского уравнения, физик Макс Планк показал, что E=hv, где E — это энергия, v — частота излучения, а h — постоянная Планка. Это уравнение показывает, что атомы поглощают и излучают энергию порциями, то есть при достаточно маленьком масштабе энергия увеличивается и уменьшается не плавно, а скачками. “v” в уравнении — это всегда целое число: 1, 2, 3, 6 или 492. Тут не может быть долей. То есть энергия по своей природе дискретна, она растет и повышается с интервалом h.
Определение килограмма объединяет эти два уравнения. С их помощью ученые определили массу через постоянную Планка, неизменную константу Вселенной. Лаборатории со всего мира объединились, чтобы максимально точно измерить постоянную с точностью до нескольких частей на миллиард.
Итак, новый килограмм — это энергия 1.4755214 x 10⁴⁰ фотонов, осциллирующих на той же частоте, что и атомы цезия-133, использующиеся в атомных часах.
Измерить такое непросто, но носить с собой такое определение намного проще, чем иридиево-платиновый цилиндр.
