Новый прибор присоединился к гонке за переопределение килограмма

Ученые из NIST создали четвертое поколение весов Ватта, которые планируется использовать для уточнения константы Планка и, в конечном итоге, для переопределения килограмма. Новый прибор отличается от предшественника NIST-3 заменой дорогостоящего в использовании сверхпроводящего магнита на постоянный, меньшим размером и весом, а также множеством изменений в конструкции, которые позволили уменьшить влияние паразитных эффектов. Результаты первого эксперимента NIST на новом приборе опубликованы в журнале Review of Scientific Instruments.

В 2014 году на XXV Генеральной конференции по мерам и весам учеными было принято окончательное решение переопределить единицу измерения Международной системы единиц (СИ) килограмм через универсальные физические константы. До сих пор определение основано на сравнении с эталонным образцом и звучит как: «килограмм — это единица измерения массы, равная массе международного прототипа килограмма». Но платино-иридиевый слиток, использующийся в качестве эталона, может изменять со временем свою массу из-за испарения и диффузии. Поэтому определение этой единицы измерения с помощью физических констант является более универсальным, и не будет зависеть от времени или условий хранения эталона.

В настоящее время в работе по переопределению килограмма задействовано множество научных организаций по всему миру, в том числе и Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Предполагается, что результатом их работы станет более точное значение константы Планка, которая в СИ измеряется в м²·кг·с⁻¹. Фиксируя её величину, будет введено новое определение килограмма, а масса платино-иридиевого эталона станет равна ему с некоторой погрешностью.

Эксперименты NIST основаны на так называемом основном уравнении ватт-баланса, которое представляет собой равенство двух отношений: 1) с одной стороны, отношение постоянных Планка, одна из которых является величиной в СИ, а другая — её значение в условных единицах, принятое в 1990 году: 2) с другой стороны, отношение механической мощности в СИ к электрической также в условных единицах 1990 года. Таким образом, чтобы определить константу Планка в эксперименте по ватт-балансу, необходимо уравновесить электрическую и механическую силу. Значения констант 1990 года были зафиксированы, чтобы избежать путаницы в точности используемых разными группами величинах физических постоянных.

В обычных весах массу груза сравнивают с неким эталоном, например, гирями известной массы. В весах Ватта с эталоном сравнивают не груз, а силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускают ток. Основой конструкции весов Ватта в NIST является маховое колесо, по одну сторону которого располагаются сами «весы», а по другую -  двигатель, который поднимает катушку с постоянной скоростью в одном из режимов. 

Между собой обе части и колесо связаны через сложную систему тросов. В «весовой» части тросы поддерживают поддон для тестового эталона - одну «чашу» - и жестко закрепленную с ним катушку - другую «чашу». Катушка, в свою очередь, помещается в магнитное поле, для создания которого используется система из двух дисков ферромагнетика Sm₂Co₁₇ суммарной массой около 800 килограмм.

В режиме «скорости» поддон для груза остается пустым, и двигатель-противовес поднимает катушку с постоянной скоростью относительно магнитов. Это создает в ней ток определенной величины. Таким образом, измеряя напряжение в катушке, можно определить силу поля, создаваемого магнитами.

В режиме «взвешивания» груз помещается на платформу, а на катушку подается ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянных магнитов. Возникает выталкивающая сила, которая в конечном итоге должна уравновесить всю систему катушка-груз между двумя магнитами. Определив, какой ток для этого нужно подать на катушку, можно определить величину этой силы. Сравнивая ее с силой тяжести, действующей на груз известной массы, ученые по уравнению ватт-баланса определили константу Планка.

Первый эксперимент, проведенный на NIST-4, позволил получить значение константы Планка h=6.626 069 83(22) × 10⁻³⁴ Дж∙с точностью до 34 миллиардных долей, в то время как ученые ожидали от первого пуска результат в шесть раз хуже. Рекорд точности — 19 миллиардных долей — в настоящий момент принадлежит Национальному исследовательскому совету в Канаде (NRC), но ученые из NIST планируют достичь и преодолеть этот предел с помощью нового прибора уже в следующем году.

Планируется, что окончательный эксперимент по переопределению килограмма будет проведен в 2018 году. Согласно стандартам, для этого необходимо, чтобы эксперимент был воспроизведен как минимум в трех независимых лабораториям, причем хотя бы в одной из них точность значения константы Планка составляла менее 20 миллиардных долей. Кроме того, хотя бы один эксперимент должен быть построен на отличных от других физических принципах.

Екатерина Козлякова