Вычисление шара
Авогадро-проект состоит из нескольких этапов. Первым шагом стало изготовление совершенного кремниевого шара. Такую форму выбрали потому, что её легче изготовить с требуемой точностью, чем, например, куб. На втором этапе метрологи определяют с помощью лазера поперечник шара, на третьем – с помощью рентгеноскопии выясняют объём, который в кристалле занимает один атом кремния. В результате может быть вычислено общее число атомов – для этого надо поделить объём шара на объём атома. По тому же принципу вычисляют количество ящиков с пивом в фуре: объём кузова делят на объём одного ящика. Следующий важный шаг – определение массы шара. Для этого производится сравнительное взвешивание шара с прототипом килограмма. Для того чтобы это взвешивание имело требуемую точность, кремниевый шар должен весить почти ровно килограмм – но именно почти. Зная массу шара, с помощью простой пропорции можно выяснить, сколько атомов дают ровно килограмм. Кроме того, зная, что один моль кремния весит 28 грамм, учёные могут определить число Авогадро с новой точностью. Нужно было постепенно раздвинуть границы техники, чтобы, с применением хитроумной системы контроля качества, подготовить день «икс».

Надежда пришла из России
Ещё в 2002 году казалось, что этот день никогда не наступит. Учёные со всего мира собрались тогда в Париже на заключительную встречу в рамках проекта Авогадро. Они были вынуждены признать, что после 15-летних усилий по-прежнему далеки от того, чтобы заменить эталон килограмма. И главная загвоздка заключалась в том, что никак не удавалось произвести кремний удовлетворительной чистоты.
И тут с докладом выступил Алексей Калитеевский, руководитель одной спецлаборатории в Санкт-Петербурге. Он рассказал, что в сотрудничестве с учёными из Нижнего Новгорода ему удалось создать особую, 200-граммовую, пробу, на 99,94 % состоящую из кремния с атомной массой 28 (кремния-28). Это стало возможным благодаря применению специальных центрифуг, которые раньше служили для обогащения урана для атомных бомб. Так к физикам вернулась надежда.

Копирайт: Marc Steinmetz/Visum
Мера всех мер: слайд 6

Ручная работа
2005 год принёс хорошую новость: российские учёные повысили чистоту кремния-28 до 99,99 %. Более того, они пообещали ещё одну девятку после запятой – разумеется, за дополнительную плату. 6 сентября 2006 года в аэропорту Берлин-Шёнефельд с трапа самолёта сошёл российский физик. В руках у него был узкий деревянный ящик метровой длины. В нём находился специальный контейнер с пятью килограммами кремния-28. Эксперты из берлинского Института выращивания кристаллов расплавили этот ценный материал и к весне 2007 года создали из него совершенный кристалл. Затем они поделили его на куски, которые разослали по всему миру партнёрам по проекту. Два самых больших куска были отправлены в Австралию – в руки Ахима Ляйстнера (Achim Leistner). Никто больше не может создавать столь совершенные шары, как этот специалист по точной оптике родом из саксонского Шрайерсгрюна. Задача у Ляйстнера необычайной сложности: он должен сделать шар из кремния абсолютно круглым. Причём вручную. Если представить такой шар величиной с Землю, на её поверхности на тысячи километров окрест должны бы были остаться неровности высотой всего в несколько метров. Допусти Ахим Ляйстнер малейший огрех в нажиме при шлифовке, или царапину – и сравнительное взвешивание с необходимой точностью уже невозможно.

У Айена Робинсона (Ian Robinson) свой научный азарт. Вот уже 30 лет этот физик трудится во флигеле бывшего главного здания британской Национальной физической лаборатории в лондонском предместье Теддингтон. Робинсон работает над экспериментом, который составляет конкуренцию «шару Авогадро». Это так называемые «ваттовы весы» – коромысловые весы в человеческий рост, взвешивание на которых происходит при помощи специальных электромагнитов. Напряжение и силу тока в электромагните учёный может задать с чрезвычайной точностью и, таким образом, связать друг с другом электрические и механические единицы, в том числе массу. Если однажды это ему удастся с достаточной точностью, он сможет взвесить парижский эталон килограмма, выразив его вес в электрических величинах. Далее он пересчитает эти величины так, что в конечном итоге будет зафиксирована масса. В пересчёте он использует постоянную Планка – коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой – физическую постоянную из квантового мира. К этой цели он идёт с 1970-х годов вместе с Брайаном Кибблом (Bryan Kibble), автором метода. Но работа продвигается медленно. Слишком много времени уходит на борьбу – то с коварством отлаженного электронного измерительного оборудования, то с последствиями малейших изменений атмосферного давления или уровня грунтовых вод.

Две физики
Робинсона обошли учёные из Института стандартов и технологий NIST в американском Гейтерсбурге (штат Мериленд). Втроём и с куда более весомым бюджетом они работают над ваттовыми весами высотой с двухэтажный дом. Имеющаяся у них аппаратура уже позволяет взвесить прототип килограмма с требуемой точностью. Дело за малым: не хватает второго эксперимента, который подтвердил бы измерения американских учёных. В Швейцарии, в Париже и в Серве физики лихорадочно строят конструкции, которые могли бы обеспечить это подтверждение. Осуществись эта концепция, в конечном итоге мы имели бы непостижимую для обычного человека точность в определении килограмма. То, что большое количество атомов суммируется в некоторую массу, ещё можно себе представить. Но то, что килограмм связан с физической постоянной из квантовой теории, – это выглядит вовсе невероятно. Петеру Беккеру (Peter Becker), руководителю Авогадро-проекта, такой подход не по душе. «Определение килограмма должно быть понятно каждому», – убеждён он. Правда, кое-что всё же свидетельствует в пользу более сложного варианта. Исследования в области мер, которые имеют дело с единицами тока, напряжения и сопротивления, относятся к переднему краю науки. Уже с 1990 года метрологи работают с фиксированными значениями постоянной Планка и электрического заряда электрона – так называемого элементарного заряда. Это связано с тем, что они в состоянии регистрировать значения напряжения и сопротивления с исключительной точностью. Два мира физики – с совершенно разными традициями и разным образом мышления –сошлись в этом состязании.
Человек, имеющий бесспорное влияние на умонастроения в среде метрологов, любит посидеть в обед в обшитой деревом профессорской за кружкой местного Brakspear Bitter. Айен Миллз, президент Comité Consultatif des Unités, консультативного комитета по основным единицам, человек чрезвычайно общительный. Когда он с жаром говорит о сегодняшнем «совершенно неудовлетворительном» определении килограмма, коллеги-профессора невольно попадают под влияние его харизмы. Миллз настаивает, что система единиц должна быть обновлена в любом случае – даже если новые эксперименты пока не дают следующих цифр после запятой. Ведь если в будущем будут появляться более точные числовые значения, то изначальные всегда можно скорректировать. Для традиционных метрологов это провокация. Только рекорд точности даёт право предлагать новое определение, гласит неписаный закон. Ответ напрашивается сам собой, когда приходишь к Айену Миллзу на его новое рабочее место. После ухода в отставку он вынужден был уступить своё просторное рабочее помещение молодому коллеге, сам же перебрался в подвал химического корпуса университета. Миллз и его сподвижники находятся в конце карьеры и ищут её венценосного завершения. Они мечтают освободить человечество от килограмма под колпаком и других реликтов метрологической традиции. Вместо них они хотят оставить людям свои единицы, которые откроют новый мир точных взаимодействий. Единицы, которые опираются на последний архимедов пункт, ещё знакомый современному человеку, – на физические постоянные.

Автор: автор: Ян Люблински, перевод Константина Вегенера