Новый прибор присоединился к гонке за переопределение килограмма

Весы Ватта NIST-4

Jennifer Lauren Lee/NIST PML

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 Митрофанова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.