Сферы, которые изменили мир: история проекта Авогадро

Можно ответить на вопрос «Что является самым круглым предметом в мире?» разными способами, и выбор ответа зависит от уровня знаний в науке. Для тех, кто не слишком знаком с физикой, естественная реакция может быть что-то вроде: «Как вообще можно измерить округлость?»

Те, кто немного лучше понимает науку, могут вспомнить, как расплавленный металл, падая с высоты в воду, образует идеальные сферы. Этот метод использовался для массового производства дроби и является одним из наиболее известных примеров создания круглых объектов на Земле.

Но для настоящих знатоков науки есть только один правильный ответ: сферы из кремния Международного проекта Авогадро.

Шары из кремния

По всему миру, в таких странах как Австралия, США, Германия, Япония и других, хранятся семь идеально отполированных сфер. Эти уникальные, почти совершенно совершенные формы были созданы международным сообществом ученых и государственных организаций с одной целью – изменить мир на фундаментальном уровне.

Несмотря на то, что это звучит как сценарий для очередного блокбастера, Международный проект Авогадро, объединяющий исследователей со всего мира с начала 1990-х годов, абсолютно реален. Именно они заказали создание этих сфер, которые были изготовлены в Австралийском агентстве по научным и промышленным исследованиям (CSIRO) с невероятной точностью.

Насколько же круглы эти сферы? Национальный институт стандартов и технологий ( NIST ), один из участников проекта, отмечает, что их поверхности настолько гладкие, что если увеличить их до размеров Земли, то разница между самой высокой горой и самым глубоким океаном составила бы всего 3–5 метров.

Для измерения диаметра сфер с точностью до нанометра были использованы устройства, называемые оптическими интерферометрами. Стоимость каждой сферы составляет около 3,2 миллиона долларов, и они были изготовлены вручную мастером по созданию линз.

Однако возникает вопрос: зачем все это нужно?

Это не килограмм

Проект Авогадро ставит перед собой цель с помощью идеальных кремниевых сфер точно определить значение постоянной Авогадро – фундаментальной физической величины. Отсюда и стремление использовать постоянную Авогадро для переопределения килограмма.

Первоначально, в 18 веке, единицы измерения в метрической системе были основаны на природных объектах: метр определялся как одна десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора, литр – как объем 1/1000 кубического метра воды при температуре плавления льда, а килограмм – как масса этого объема воды в вакууме.

Для того чтобы закрепить эти определения, Французская академия наук в 1799 году создала физические объекты, представляющие эти единицы: платиновый стержень длиной ровно один метр и цилиндр весом ровно один килограмм – так называемый «Большой К» ( Le Grand K ).

Со временем, эти единицы стали популярными по всему миру, и в 1875 году 17 стран подписали Метрическую конвенцию, установившую Генеральную конференцию по мерам и весам. Была создана лаборатория в Севре, недалеко от Парижа, которая стала домом для международных эталонов метра и килограмма, а их копии были отправлены всем подписантам для распространения и стандартизации метрической системы.

Однако система, основанная на физических объектах, имела свои недостатки. К примеру, к 1989 году масса эталонных килограммов начала расходиться – разница достигала 50 микрограммов. Это показало, что физические объекты не являются надежной основой для точных измерений.

Как создать килограмм

В 2005 году Международный комитет по мерам и весам рекомендовал переопределить килограмм, основываясь на универсальной константе. Наиболее вероятным кандидатом стала постоянная Планка. Однако были предложены и альтернативные методы, такие как использование постоянной Авогадро, что потребовало бы создания объекта из точно известного количества вещества.

В конечном итоге, сферы из кремния, созданные в рамках проекта, предоставили гораздо более точные данные, чем «Большой К». Даже если эти сферы будут утрачены или повреждены, это не повлияет на определение килограмма, так как он будет определен не физическим объектом, а концепцией.

И хотя в итоге килограмм был переопределен на основе постоянной Планка, другие константы природы также могут использоваться для проверки правильности этого определения.

По крайней мере, благодаря проекту были созданы невероятно гладкие и круглые шары, что само по себе является значительным достижением.