Найсферичніший об'єкт у світі

Можна потримати?
- Тільки якщо дуже, дуже обережно.
- Обіцяю, я буду максимально обережний. Я буду неймовірно обережним з нею. Обіцяю.
- Вона слизька, будь обережний.
Гаразд, ми готові?
Я збираюся торкнутися кремнієвої кулі, у якій атомів кремнію-28 (двадцять вісім) приблизно 2,15x10²⁵ (дві цілих і п'ятнадцять сотих на десять у двадцять п'ятому степені).
О-о-у.
Це просто неймовірно.
Це приголомшливо!
Окрім її творців, я один з небагатьох, хто коли-небудь тримав цю кулю.
Один лиш матеріал для її виготовлення коштував 1 млн євро.
Але тепер, коли вона настільки точно сформована — скільки вона коштує?
- Вона безцінна. ... Те, на що ви дивитеся зараз — найбільш сферичний об'єкт у світі.
- Як ви можете так впевнено казати, що це найбільш сферичний об'єкт? Я маю на увазі, що Земля досить сферична.
- Якби це була Земля ...
- Якби це була Земля, то різниця між найвищою горою і найнижчою западиною була б ... - приблизно 14 метрів.
Це приголомшливо.
Вона надзвичайно кругла.
Але навіщо комусь щось вкладати один мільйон євро і тисячі людино-годин, доводячи до досконалості хімічно чисту, відполіровану кремнієву кулю?
Відповідь - grave (могила).
Або точніше... "грав", як це вимовляється в оригіналі французькою.
Бачите, слово "грав" було оригінальною назвою основної одиниці маси в метричній системі, яка стала Systeme International d'unites (фр) [повтор за Дереком] або системою СІ.
У 1793, комісія, до якої входив відомий вчений і аристократ Антуан Лоран Лавуазьє, встановила значення основної одиниці маси, як масу кубічного дециметра води при температурі плавлення льоду.
Тобто, це літр крижаної води.
Назва "грав" походить від латинського gravitas ("гравітас"), що означає "вага".
Але так було не довго.
Це слово за звучанням дуже нагадувало аристократичний титул "граф".
А в розпал Великої французької революції з гаслом "рівність для всіх" було неприпустимо мати одну одиницю шляхетнішу, ніж інші.
Тоді ж Лавуазьє втратив голову.
Буквально.
Не тому, що допоміг розробити одну з найбільших систем вимірювання всіх часів, а тому що збирав податки як дворянин.
Так що все справді закінчилося "могилою".
Новий республіканський уряд вважав, що грав занадто великий для вимірювань, як їм здавалося.
Тож вони домовилися використовувати грам, який був однієї тисячною грава.
Але незабаром вони зрозуміли, що грам занадто малий, і повернулися до грава.
Але вони не могли його так називати, тож придумали "кілограм" - тисячу грамів.
І саме через це з усіх семи базових одиниць системи СІ, кілограм — єдиний, що має префікс у назві.
У 1799 визначення кілограма вдосконалили: тепер це була маса одного літра води при 4 (чотирьох) градусах за Цельсієм — температурі, при якій вода має максимальну густину.
Але очевидно, що вода — не найкращий вибір для стандарту маси.
Так був створений циліндр з чистої платини тієї ж маси, що і "водний стандарт".
І він був визначений як Кілограм Архіву.
Слід зауважити, що зараз кілограм більше не прив'язаний до маси об'єму води.
Кілограм архіву за визначенням є кілограмом.
Через 90 років, у 1889 еталон кілограма замінили на платино-іридієвий циліндр.
Він мав більшу твердість, ніж оригінал, але за рештою параметрів був ідентичним йому.
І донедавна він лишався еталоном кілограма.
Офіційна назва — Міжнародний прототип кілограма.
Хоча він так само відомий як Le Grand K (ле гранд ке) або Big K (біґ кей).
Він приблизно ось такий за розміром.
Це єдина річ в усьому всесвіті, яка має масу рівно один кілограм..., тому що це і є кілограм.
І це також єдина одиниця системи СІ, яка ще зовсім недавно визначалася фізичним об'єктом.
Еталон перебуває під двома ковпаками, поруч зі своїми шістьма "братами" у сховищі з клімат-контролем, замкненому трьома незалежно контрольованими ключами, в підвалі Міжнародного Бюро мір і ваг на околиці Парижа.
Якби ви могли проникнути у сховище і замінити еталон, ви б змінили визначення кілограма, визначення, на якому базуються багато наших вимірювань.
І... так, ви б увергнули світ в хаос!
Ну..., не зовсім.
Але як можна дізнатися, що маса еталона кілограма змінилася?
Спочатку, разом з основним прототипом створили 40 дублікатів.
Хоча вони не зовсім ідентичні, і їхні маси трохи відрізнялися від стандарту, але ці відхилення були зафіксовані.
Ці копії були розіслані в різні країни, щоб слугувати їхніми національними стандартами.
У 1948 році дублікати були зібрані для контрольного зважування.
І саме тоді почалися проблеми.
Не зважаючи на те, що всі циліндри були виготовлені з одного і того ж сплаву, і зберігалися практично в однакових умовах, в їхніх масах виникла розбіжність.
Навіть маса основного еталона відрізнялася від мас шести його копій, що зберігалися з ним разом.
І на довершення, коли вони знову були зібрані разом через 40 років, їхні маси відрізнялися іще більше — на 50 мікрограмів, що приблизно дорівнює масі відбитка пальця.
Але відбитки були ні до чого, тому що еталон і дублікати були ретельно очищені перед зважуванням.
Тож якийсь фізичний процес, ймовірно, змінив масу циліндрів, але тепер про це можна лише здогадуватись.
Одне ми знаємо напевне: маса платино-іридієвого циліндра не стабільна з часом.
І це велика проблема.
Не можна мати одиницю виміру, яка змінює своє значення.
І наслідки не обмежилися вимірюванням самої лиш маси.
Тому що з семи одиниць системи СІ, чотири базуються на кілограмі.
Не кажучи вже про похідні одиниці, як-от ньютони, джоулі та вати.
Ті з вас, хто живе в країнах, які досі не перейшли на метричну систему...
Так, я маю на увазі Ліберію, Бірму і США.
Ви, мабуть, задоволені, що ваші одиниці вимірювання маси, — фунти, — більше не визначаються фізичним об'єктом.
Натомість фунт визначається, як 0,45359237 кг (нуль цілих сорок п'ять мільйонів триста п'ятдесят дев'ять тисяч двісті тридцять сім стомільйонних) кілограма.
Точно.
Очевидно, потрібно було щось зробити, аби позбутися залежності кілограма від фізичного об'єкта.
Ось де кремнієва сфера приходить на допомогу.
Але як саме вона може допомогти?
У вас є фізичний об'єкт, і він чудовий.
Але ж це все ще фізичний об'єкт, те, чого ми намагаємося позбутися.
- Так, все правильно. Але те, що ми зараз робимо з цією кулею — то це рахуємо кількість атомів у ній.
- Ви ж не можете порахувати, скільки там атомів, правда?
- Ми не можемо порахувати, скільки їх там, але можемо обчислити їхню кількість, оскільки це кремній, і у ньому немає порожнин або дислокацій.
- Так значить це ідеальний кристал кремнію.
- Саме так. Це не просто чистий кремній, він містить лише один ізотоп кремнію - кремній-28 (двадцять вісім), і це пояснює, чому матеріал був такий дорогий.
- А чому саме куля?
- Ну, куля — досить простий об'єкт.
- Якщо ви знаєте діаметр кулі, то можете вирахувати її об'єм. Ось чому ця куля повинна бути найсферичнішим об'єктом, будь-коли створеним.
- Як ви можете зробити щось настільки круглим?
- Ми почали з кулі трохи більшого розміру.
- Вона була приблизно на 2 мм більшою в діаметрі.
- Потім ми просто шліфували її абразивами, поступово досягаючи бажаної форми.
- Ми дійшли до такої точності контролю форми цього об'єкта, що робимо це на атомарному рівні.
- Але зробити кулю — це лиш пів справи. Вам ще потрібно точно виміряти її діаметр.
- Діаметр насправді вимірюється лазером.
- Фактично сфера розташована по центру і ми використовуємо лазерні промені з обох боків, вимірюючи таким чином повітряний зазор.
Знаючи діаметр кулі, ви можете визначити її об'єм.
А оскільки відстань між атомами кремнію відома з високою точністю, ви можете обчислити, зі скількох атомів складається куля.
Це дозволяє перевизначити сталу (або число) Авогадро.
Зовсім нещодавно визначення числа Авогадро базувалося на кілограмі.
І воно дорівнювало кількості атомів в 12 грамах карбону-12 (дванадцять).
Але згідно з цим підходом, кількість атомів кремнію у сфері використовується для визначення числа Авогадро, яке потім визначає кілограм.
Тож, навіть якби ця куля загубилася або була пошкоджена, це не вплинуло б на визначення кілограма, тому що він визначатиметься не фізичним об'єктом, а концепцією.
Ви хотіли б побачити офіційне визначення кілограма таким:
"Це 2,15·10²⁵ (дві цілих п'ятнадцять сотих на десять у двадцять п'ятому степені) атомів кремнію-28"?
- Так. Це колись станеться?
- Є ймовірність, велика ймовірність, що це станеться.
Але існує й інший спосіб перевизначити кілограм, який пов'язаний з фіксацією сталої Планка і використанням приладу під назвою "Ват-баланс".
Ці два підходи є взаємодоповнюваними.
Кожен з них забезпечує перевірку іншого.
Якщо вони добре узгоджуватимуться, і знизять похибку до 20 мікрограмів, то зможуть перевизначити кілограм досить скоро.
І тоді кілограм, нарешті, буде незмінною величиною, не прив'язаною до фізичного об'єкта, розміщеного в сховищі десь у Парижі.
Якщо кілограм спочатку був масою літра води при температурі, коли її густина максимальна, на скільки точним було це значення?
Насправді маса 1 (одного) літра води при температурі близько 4-ох градусів за Цельсієм становить 999,975 г (дев'ятсот дев'яносто дев'ять цілих і дев'ятсот сімдесят п'ять тисячних) грамів.
Я думаю, ви можете розглянути це з двох боків.
З одного боку, можна сказати, що кілограм трохи масивніший, ніж повинен бути, але з іншого боку, вчені 214 років тому змогли створити еталон, який був точним в межах допустимої похибки, що дорівнювала масі рисового зернятка.
Так, це справді дивовижно.
Якщо ви хочете дізнатися більше про ват-баланс, дайте мені знати в коментарях, і я спробую щось зробити.
Схоже це основний кандидат для перевизначення кілограма, тож нам залишається тільки спостерігати за цим.
Зауважу, що у створенні кремнієвої сфери брали участь вчені з різних країн, але мені здається, що вченого, який спочатку запропонував використати кремній, варто особливо відзначити.
У 1787 це був ніхто інший як Антуан Лоран Лавуазьє.
Таким чином, він брав участь у процесі визначення кілограма від початку і до кінця.
Або від колиски до могили.