Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) с помощью ватт-весов нового поколения измерили значение постоянной Планка с точностью до 34 миллиардных долей. Эксперимент позволит создать новый эталон килограмма, привязав его к фундаментальным законам природы. Статья опубликована в журнале Review of Scientific Instruments.
Весы по всему миру откалиброваны по эталону килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов в виде цилиндра, сделанного из платиново-иридиевого сплава. Эталон хранится под тремя герметичными колпаками, однако каждые сто лет он по неизвестным причинам теряет ничтожную часть своей массы. Такое «усыхание» может показаться несущественным, однако для тех ученых, что заинтересованы в сверхточных измерениях массы, изменения, происходящие с эталоном, внушают тревогу.
Килограмм — единственная единица СИ, которая определена с помощью предмета, поскольку остальные определяются через фундаментальные физические законы и свойства. Метрологи уже несколько лет ведут работы для привязки килограмма к постоянной Планка — коэффициенту из области квантовой механики, который связывает энергию кванта излучения с его частотой. Для этого ученые использовали ватт-весы, позволяющие измерить массу тела через электромагнитную силу, позволяющую уравновесить это тело. Прошлые измерения позволили достичь точности в 175 миллиардных долей, что, однако, не соответствовало стандартам метрологии.
В новом исследовании ученые использовали новое устройство под названием NIST-4 watt balance. Они провели ряд измерений, и, сопоставив результаты, вычислили значение постоянной Планка с точностью до 34 миллиардных долей. Зная эту величину, можно вычислить точное количество электрической энергии, необходимой для подъема тела массой в один килограмм.
Однако результаты необходимо воспроизвести. Согласно стандартам, по крайней мере три эксперимента должны получить данные с точностью до 50 миллиардных и один — до 20 миллиардных. Кроме того, нужно прибегнуть и к альтернативному методу измерения килограмма: через подсчет числа атомов кремния-28 и их общей массы.
Если ученым удастся сделать все необходимые эксперименты, то в ближайшем будущем у человечества появится математический эталон килограмма, который не будет подвержен нежелательным воздействиям со стороны окружающей среды.
