Зачем был изготовлен самый круглый в мире шар ценой в 1 миллион евро

Любая наука требует точности, особенно, если это касается того, что связано с физикой, математикой или химией. Как мы знаем, в качестве стандартизованной системы единиц, во всем мире используется принятая в 1960 году система СИ. В нее занесены обозначения таких базовых единиц как: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Большинство единиц этой системы могут быть определены через физические константы (например, заряд электрона, скорость света итд). Однако, до недавнего времени, были проблемы с определением данным способом точного значения единицы массы — килограмма. Поэтому в качестве эталонного значения использовались параметры искусственно созданных объектов, в частности, платиново-иридиевого цилиндра, изготовленного аж в 1889 год.

Данный эталон был сделан в количестве 40 экземпляров-копий и распределен по разным странам. Со временем, при сравнении копий между собой, обнаружилась проблема, что эталон, в общем-то, таковым не является. На физический образец килограмма, даже несмотря на то, что он содержится в специальных условиях (герметичное хранение под тремя колпаками), воздействует окружающая среда. В результате этого, масса цилиндра из платины и иридия, изменяется, хоть и на весьма незначительное значение (примерно, на 50 микрограммов за период в 100 лет).

Для альтернативного решения этой проблемы был создан «проект Авогадро», целью которого было сделать идеальный физический эталон массы. На самом деле первичной задачей было определение значения самой константы — числа Авогадро (с точностью до 1x10 в минус седьмой степени), определяющей сколько атомов, молекул, ионов или др. структурных элементов в единице вещества (моль). Сделать это планировалось путем подсчета, с помощью лазерного спектрографа, общего числа атомов в эталонном объекте.

После расчетов и элементов было определено, что лучшим эталоном может стать идеально круглая сфера. В качестве материала для ее изготовления был выбран изотоп кремния-28. Выбор материала был обусловлен его (относительной) дешевизной, идеальной однородностью, а также хорошо известным процессом создания и обработки кристаллов на его основе. Кроме этого, материал крайне устойчив к внешним воздействиям (для сохранения своих свойств со временем).

Производство кристалла для изготовления сферы (на самом деле было произведено две штуки) стартовало в 2004 году в «Нижегородском институте химии высокочистых веществ РАН». В этом институте был получен максимально чистый кремний-28. Далее из него в 2007 г., в «Берлинском Институте кристаллографии Лейбница» вырастили цилиндрический кристалл (буля). Затем, полученную заготовку разрезали на несколько частей и шлифовали (практически, вручную) на протяжении нескольких месяцев в «австралийском Центре высокоточной оптики» с помощью вращающихся роторов с анализом поверхности высокоточными лазерами.

Требовалась максимальная точность и отсутствие дефектов на поверхности сферы. В итоге добились того, что максимальная «неровность» поверхности не превышала 97Нм при диаметре сферы в 93,75мм. Для сравнения, если «увеличить» сферу до размера Земли, то неровность не превышала бы 4.5м. Стоимость материала, из которого изготавливались сферы составила около 1 млн. евро, а цена всего проекта приблизилась к 3.5 млн. евро.

В результате измерений физических параметров сферы и зная точный состав материала, стало возможным подсчитать общее число атомов кремния в ее и более точно определить число Авогадро: 6.02214084 (18) * 10 в степени 23 1/моль. Несмотря на то, что это было самое точное экспериментальное определение константы, точность измерения составила 30 миллиардных долей, что не позволило рассматривать полученную сферу в качестве эталона «Международным бюро мер и весов».

Более того, в мае 2019 году было принято решение о том, что физические предметы (в том числе, действующий эталон), перестают быть эталонами и «представлять из себя» килограмм. Было принято решение в определении массы используя постоянную Планка (коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с частотой), точное значение которой уже было уточнено посредством значений времени и длины (эталонных).

В настоящий момент принято, что предмет имеющий массу 1 кг должен быть таким, чтобы постоянная Планка равнялась 6,626069 * 10 (в −34 степени) дж.*сек., где единицы энергии получаются по формуле через соотношение метров, секунд и килограмма. Точные значения мер длины и времени давно известны (через неизменные значения скорости света и излучение атома цезия). Соответственно, физический эталон фактически утратил свою ценность и теперь, чтобы получить точное значение килограмма нужно не сопоставить массу двух физических объектов, а провести определенный опыт.

via