Метрологи Международного бюро мер и весов хранят точнейшие эталоны, задающие измерительные стандарты всему миру. Выбор химичес­ких веществ для изготовления образцов становится нетривиальной задачей.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №8(36). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Компьютерная модель международного прототипа килограмма. Образец изготовлен из платино-иридиевого сплава и имеет высоту и диаметр 39,17 мм, его грани имеют фаски под углами 22,5°, 45°, 67,5° и 79° для минимизации износа.

Цилиндр высотой и диаметром 39,17 мм, изготовленный из сплава, содержащего 90% платины и 10% иридия, оберегают от малейшего дуновения воздуха и оседания мельчайшей пыли. Температура, влажность и давление в трёх стеклянных колбах, внутри которых покоится цилиндр, не должны отклоняться от заданных ни на десятую долю процента. 

В чём ценность экспоната? Это самый точный эталон килограмма в мире, на который ориентируется Международное бюро мер и весов. Как утверждают метрологи, точность веса этого суперкилограмма составляет несколько десятков нулей после запятой! Поэтому образец так ревностно охраняют — даже несколько лишних атомов не должны попасть на поверхность цилиндра. Материал для него выбирали среди металлов с наибольшей плотностью: чем меньше поверхность, тем проще следить за сохранностью эталона. 

Ахим Лестнер из Австралийского центра прецизионной оптики и монокристаллическая кремниевая сфера весом 1 кг для проекта «Авогадро». Эта сфера — один из самых круглых техногенных объектов в мире. Если масштабировать её до размера Земли, высота самого высокого дефекта площадью с целый континент была бы меньше 2,4 м.

Платина стала победителем ещё и по причине отличной электропроводности, которая не даёт накапливаться статическому электричеству: лишним частицам здесь не рады! Исключительная твёрдость платины стала последним аргументом в её пользу: это свойство снижает вероятность появления царапин в ходе крайне редких калибровок.

И что бы вы думали? Беспрецедентные меры безопасности не уберегли платино-иридиевый эталон: он потерял вес отпечатка человеческого пальца! Как и почему это произошло, никто до сих пор не знает…

В этих часах атомы газообразного цезия-133 колеблются между двумя энергетическими уровнями при движении между магнитами на концах резонатора (длинный цилиндр, нижний левый). Количество этих колебаний — около 9193 млн — и сос­тавляет продолжительность стандартной секунды. Разработка первых цезиевых атомных часов Луи Эссеном и Джеком Перри в 1955 году привела к замене астрономической секунды атомной секундой как стандартной единицей времени.

Любые, даже самые дорогие часы идут неточно. Об этом прямо пишут в инструкции: неточность хода составляет в лучшем случае до 10 секунд в год. Как же узнать правильное время и где находятся самые точные часы в мире? В Лондоне, в Нацио­нальной физической лаборатории. Это атомные цезиевые часы, по которым калибруют измерители времени даже в парижском Международном бюро мер и весов. 

Принцип работы устройства основан на едва заметных колебаниях электронов в магнитном поле на внешних орбиталях атома. Точнейшие лазерные детекторы регистрируют микроперемещения электрона с помощью испускаемых фотонов. Оказалось, что за секунду электрон атома цезия успевает сделать 9 192 631 770 колебаний — не больше и не меньше, в любых условиях. В 1960‑е годы научное сообщество решило принять цезиевый стандарт в качестве универсального для отсчёта времени. Цезию удалось прославиться за счёт относительно большого размера атома (его удобнее облучать) и всего одного электрона на внешнем уровне (проще определить). Сверхточное время, которое показывают эти часы, используется, в частности, в спутниковых навигационных системах — отклонения при определении местоположения объекта составляют буквально миллиметры.

За последнее десятилетие были созданы прототипы оптических атомных часов на основе стронция и иттербия. Они излучают и поглощают высокочастотные фотоны в видимом спектре. Погрешность таких часов составляет не более одной секунды в 15 млрд лет. Они в 100 раз точнее цезиевого аналога.

Каждые десять лет требования к точности мер становятся всё более жёсткими, а значит, консервативная наука метрология не даст нам заскучать.