Учёные готовят фундаментальное обновление единиц измерения
Если и есть у учёных священные объекты, то это один из них: единственный, тщательно охраняемый 137-летний металлический цилиндр, расположенный в подвале близ Парижа. Этот прототип точно определяет значение килограмма массы во всём мире.
У килограмма говядины в продуктовом магазине та же масса, что и у этого особого куска металла, сплава платины и иридия. У 60-килограммовой женщины масса в 60 раз больше, чем у него. Даже далёкие астрономические объекты, например кометы, измеряются относительно этого цилиндра. У кометы Чурюмова-Герасименко, которую недавно посещал европейский космический аппарат Розетта, масса составляет 10 триллионов таких цилиндров.
Но в этом куске металла нет ничего особенного, и его масса даже не является идеальной константой. Царапины, накапливающаяся грязь, могут незначительно менять его массу. После чего килограмм мяса будет весить чуть больше или меньше, чем раньше. Для гамбургеров эта разница будет несущественной, но для научных измерений небольшой сдвиг в определении килограмма может привести к большим проблемам.
Эта тема волнует некоторых исследователей. Они предпочли бы определить важные единицы измерения – килограммы, метры, секунды – через неизменяемые свойства реальности, а не через наобум взятые длины, массы и другие количества, придуманные учёными. Если бы люди встретились с инопланетянами и сравнили бы системы измерения друг у друга, как говорит физик Стефан Шламмингер [Stephan Schlamminger], «над нами смеялась бы вся Галактика».
Чтобы исправить ситуацию, метрологи – редкий вид учёных, занимающийся точными измерениями – исправляют систему. Вскоре они начнут использовать фундаментальные константы природы – не изменяющиеся числа вроде скорости света, заряда электрона и постоянную Планка – для калибровки своих линеек, весов и термометров. Они уже избавились от искусственного определения метра – бруска из платины и иридия с гравировкой. В 2018 году они выбросят и парижский килограммовый цилиндр.
В 2018 семь единиц международной системы единиц (внутренний круг) будут переопределены через семь констант (внешний круг).
Фундаментальные константы числятся среди наиболее точно измеряемых параметров, поэтому они и кажутся идеальными для определения единиц измерения. Но они сами по себе – загадки. Постоянная тонкой структуры служит загадкой для физиков с момента её появления в уравнениях 100 лет назад. Каждый раз, когда электрически заряженные частицы притягиваются или отталкиваются – где бы то ни было во Вселенной – эта постоянная играет свою роль. Её значение определяет силу отталкивания и притягивания. Измените её на несколько процентов – и звёзды начнут создавать меньше углерода, основы всей жизни. Ещё чуть-чуть – и звёзды, молекулы и атомы вообще не возникнут. Складывается впечатление, что её значение было подобрано специально для того, чтобы во Вселенной возникла жизнь.
Значения других фундаментальных констант тоже нельзя объяснить – можно только измерить. «Никто не знает, почему у этих констант именно такие значения»,- говорит физик-теоретик Джон Барроу [John Barrow] из Кембриджского университета.
Эта неопределённость, окружающая константы, может причинить неудобства метрологам. Законы физики не запрещают константам меняться во времени или пространства – хотя доказательств наличия таких изменений найдено не было. Некоторые спорные измерения намекают на то, что постоянная тонкой структуры может быть разной в разных частях Вселенной. Это может означать, что и другие константы меняются, а это разрушит всю опрятную систему, к принятию которой готовятся метрологи.