Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2003 № 10
Поскольку в этом случае основным инструментом исследователей становятся компьютеры, а не телескопы, открываются новые возможности для исследований в тех странах, где никогда не было собственных астрономических инструментов. Если данные наблюдений по мере их получения выставлять в Интернет, то в научной работе смогут принять участие ученые со всех уголков мира.
За последние четверть века суммарная разрешающая способность всех телескопов планеты возросла в 3000 раз.
В результате объем наблюдаемых данных ежегодно удваивается. А вот количество людей, анализирующих эту информацию, практически не увеличивается. Поэтому многие данные остаются непроанализированными годами. Теперь положение может заметно измениться. Накопленные данные в 10 различных диапазонах плюс новые компьютерные программы позволяют теперь быстро просматривать массивы накопленных сведений и выявлять в них неизвестные ранее небесные тела и явления.
Публикацию подготовил В.ЧЕТВЕРГОВ
РАЗБЕРЕМСЯ НЕ ТОРОПЯСЬ
Сколько весит килограмм?
С традиционным эталоном массы, хранящемся в Международном бюро мер и весов под Парижем… возникли осложнения. Как свидетельствуют ученые-метрологи, по непонятным причинам он стал легче.
Этот факт взволновал едва ли не весь научный мир: что же это за эталон, который сегодня имеет один вес, а завтра другой! Могут «поплыть» все константы! Под угрозой научные знания, наработанные человечеством за прошедшие века. Эта сенсация, опубликованная в газете «Нью-йорк тайме», тут же облетела весь мир. О «похудевшем» эталоне заговорили многие теле- и радиостанции, печатные и электронные СМИ. Но насколько серьезна проблема?
А был ли эталон?
Представьте, что изготовить эталон килограмма поручено именно вам. С чего начать?
Чтобы задача не походила на сказочную — «Поди туда, не знаю куда…» — даем подсказку: эталоном килограмма в свое время решили считать вес 1 литра воды.
Итак, берем воду — и сразу вопрос: какую? Как известно, масса воды зависит от количества содержащихся в ней солей, изотопов водорода и кислорода и прочих примесей. Что ж, допустим, многократной перегонкой вы получите дистиллированную воду высочайшей чистоты. Но какая-то часть солей в ней все равно останется. Какая именно — удастся узнать лишь с определенным допуском — нет у человечества еще абсолютных методов анализа.
Далее. Плотность воды зависит от температуры. Наиболее тяжелой вода становится при +4 °C. Так что вам нужно выдержать температуру с невероятно высокой точностью, а как эту температуру измерить?
Наконец, нам необходимо с величайшей точностью отмерить этот самый литр. Как? Изготовить строго откалиброванную емкость — тоже проблема. И все же пробуем. Допустим, вы решили сделать ее цилиндрической.
Но объем цилиндра, как известно, равен площади окружности дна, умноженной на высоту.
Площадь окружности определяется через «пи» — величину, равную 3,14142… Далее следует длиннейшая череда знаков, уточняющая эту величину, и просчитать ее можно хоть до бесконечности, но какой смысл, если высоту цилиндра не измерить точно? Эталон метра — пусть даже самая точная в мире линейка, которой вы будете мерить, — тоже изготовлен с определенными допусками…
Добавим к этому, что на плотность воды влияет еще и атмосферное давление, поверхность ее не идеально ровная, и у стенок сосуда образуется мениск, а сила гравитации в различных регионах планеты разная…
В общем, эталон килограмма — платиново-иридиевый цилиндр диаметром 39 мм и такой же высоты, отлитый в Великобритании в 1889 году, — трудно всерьез считать эталоном.
А если при этом учесть, что изменение его веса составило всего 50 микрограммов — вес мельчайшей крупинки соли, — станет ясно, что физическим константам ничего не грозит, да и с наукой ничего не случится.
Это подтверждают и наши специалисты.
Руководитель лаборатории государственного стандарта массы Всероссийского научно-исследовательского института метрологии имени Д.И. Менделеева (ВНИИМа), что в Санкт-Петербурге, Виктор Савельевич Снегов, полагает, что поднявшаяся шумиха не имеет практического значения. «Конечно, хотелось бы для порядка привести эталон массы к современному виду, такому же, например, как эталон метра, — сказал он. — Этим, кстати, специалисты занимаются уже более двух десятков лет, и до сих пор никакой сенсацией тут не пахло».
Эталоны «виртуальные» и материальные
Здесь требуются, пожалуй, кое-какие пояснения. Действительно, килограмм — единственная базовая мера, сохраняющая материальный эталон, принятый еще в XIX веке. За это время эталон метра, например, первоначально базировавшийся на длине земной окружности, и определение секунды, отсчитывавшейся некогда как определенная доля суток, уже приведены к практически более удобным показателям.
Так, метром теперь считается длина пробега светового луча в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. А секундой является промежуток времени, за который атом цезия совершает 9 192 631 770 колебаний. И новый метр, и новая секунда могут быть измерены с исключительной точностью, воспроизведены в любом месте с помощью специально разработанной аппаратуры.
А вот с килограммом получилось так. Отмерив однажды худо-бедно массу литра воды, метрологи тут же заказали английскому ювелиру его металлический аналог. Он и изготовил согласно данным ему инструкциям платиново-иридиевый цилиндр, о котором сказано выше.
Всего было сделано несколько десятков копий килограммового эталона. Они были распределены по одному экземпляру между странами — участницами международного соглашения.
И долгое время никто не видел особой практической надобности в изменении эталона. Хотя теоретически, конечно, хотелось бы иметь также «виртуальный» эталон килограмма, который можно было бы, подобно метру и секунде, воспроизводить с высокой точностью и без особых хлопот. А их пока хватает.
Для контрольного взвешивания того эталона, что хранится в нашей стране, например, пришлось сконструировать и построить специальные весы, которые находятся в строго контролируемом хранилище на фундаменте в 700 т, чтобы исключить по возможности влияние посторонних толчков и вибраций. Причем в помещении выдерживается температура с точностью до 0,01 °C, а процедуру взвешивания ведут дистанционно, с помощью манипуляторов. Человек с массой в 80 кг и температурой 36,6 °C способен серьезно нарушить точность показаний эталонных весов, обычно работающих с допуском плюс-минус 0,002 мг.
Кроме того, с течением времени, как уже говорилось, эталон килограмма то худеет, то полнеет. А стало быть, наблюдается некий непорядок, чего метрологи терпеть не могут. Вот и хотят избавиться от материального эталона, заменив его «виртуальным».
Круглее круглого
Специалисты международной группы исследователей из Германии, Японии, Австралии и Италии хотят сделать воплощением нового эталона килограмма определенное количество атомов специально выбранного химического элемента. Они пытаются изготовить совершенно круглый кристалл из кремния, который будет иметь массу ровно 1 кг.
Идея состоит в том, что, зная, из каких атомов состоит этот кристалл, на каких расстояниях его атомы расположены друг от друга в кристаллической решетке и каков диаметр шара, можно вычислить, сколько атомов в нем заключается. Это число и войдет в новое определение килограмма.
По словам заместителя директора ВНИИМа Ильи Борисовича Нехлюдова, подобная работа велась в СССР еще два десятка лет тому назад. «Наши специалисты провели уточнение числа Авогадро, с помощью которого можно связать между собой количество атомов и массу килограмма, но поняли, что такой эталон вряд ли будет совершеннее традиционного», — сказал он.
Сейчас технология очистки материалов, подсчета атомов продвинулась вперед. Чтобы отделить друг от друга три изотопа кремния, которые могут внести путаницу при изготовлении эталона, зарубежные специалисты обратились за помощью к российским предприятиям, ранее занимавшимся производством ядерного оружия. На них остались центрифуги, использовавшиеся для обогащения урана, отделения его атомов от примесей. Теперь те же установки будут разделять кремниевые изотопы. На российских центрифугах ученые надеются получить изотоп кремния с атомным весом 28 и с чистотой в 99,99 процента.
Первый экспериментальный кристалл уже изготовлен.
В нем кремний еще недостаточно чист. И пока на этой модели отрабатывают технологию изготовления идеального шара, а также методику проверки его формы. Проведены уже 500 тысяч измерений диаметров шара по разным сечениям, и есть уверенность, что это самая точная сфера, когда-либо изготовленная рукой человека.
