Действующее до мая 2019 года определение килограмма принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так :

Килограмм - единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

Килограмм пока остаётся последней единицей СИ, которая определена на основе объекта, изготовленного человеком. Однако, XXVI Генеральная конференция по мерам и весам (13 - 16 ноября 2018 года) одобрила новое определение килограмма , основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . Решение вступит в силу 20 мая 2019 года. При этом с практической точки зрения величина килограмма не изменится, но существующий «прототип» (эталон) более не будет определять килограмм, а станет очень точной гирькой с потенциально измеримой погрешностью.

Прототип килограмма

Килограмм и постоянная Планка

Эти две формулы, найденные в начале XX века, устанавливают теоретическую возможность измерения массы через энергию индивидуальных фотонов , но практические эксперименты, позволяющие связать массу и постоянную Планка, появились лишь в конце XX века.

U 1 I 2 = m g v 1 , {\displaystyle U_{1}I_{2}=mgv_{1},}

где U 1 I 2 {\displaystyle U_{1}I_{2}} - произведение электрического тока во время балансирования массы и напряжения в процессе калибровки, - произведение ускорения свободного падения g {\displaystyle g} и скорости катушки v 1 {\displaystyle v_{1}} во время калибровки весов. Если g v 1 {\displaystyle gv_{1}} независимо замерено с высокой точностью (практические особенности эксперимента также требуют высокоточного замера частоты ), предыдущее уравнение по сути определяет килограмм в зависимости от величины ватта (или наоборот). Индексы у U 1 {\displaystyle U_{1}} и I 2 {\displaystyle I_{2}} введены с тем, чтобы показать, что это виртуальная мощность (замеры напряжения и тока делаются в разное время), избегая эффектов от потерь (которые могли бы быть вызваны, например, наведёнными токами Фуко) .

Связь между ваттом и постоянной Планка использует эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла :

Поскольку I 2 = U 2 R {\displaystyle I_{2}={\frac {U_{2}}{R}}} , где R {\displaystyle R} - электрическое сопротивление , U 1 I 2 = U 1 U 2 R {\displaystyle U_{1}I_{2}={\frac {U_{1}U_{2}}{R}}} ; эффект Джозефсона: U (n) = n f (h 2 e) {\displaystyle U(n)=nf\left({\frac {h}{2e}}\right)} ; квантовый эффект Холла: R (i) = 1 i (h e 2) {\displaystyle R(i)={\frac {1}{i}}\left({\frac {h}{e^{2}}}\right)} ,

где n {\displaystyle n} и i {\displaystyle i} - целые числа (первое связано со ступенькой Шапиро, второе - фактор заполнения плато квантового эффекта Холла), f {\displaystyle f} - частота из эффекта Джозефсона, e {\displaystyle e} - заряд электрона . После подстановки выражений для U {\displaystyle U} и R {\displaystyle R} в формулу для мощности и объединения всех целочисленных коэффициентов в одну константу C {\displaystyle C} , масса оказывается линейно связанной с постоянной Планка:

m = C f 1 f 2 h g v 1 {\displaystyle m=Cf_{1}f_{2}{\frac {h}{gv_{1}}}} .

Поскольку все остальные величины в этом уравнении могут быть определены независимо от массы, оно может быть принято за определение единицы массы после фиксации значения 6,62607015×10 −34 для постоянной Планка.

Этимология и употребление

Слово «килограмм» произошло от французского слова «kilogramme », которое в свою очередь образовалось из греческих слов «χίλιοι » (chilioi ), что означает «тысяча» и «γράμμα » (gramma ), что означает «маленький вес» Слово «kilogramme » закреплено во французском языке в 1795 году . Французское написание слова перешло в Великобританию, где впервые оно было использовано в 1797 году , в то время как в США слово стало использоваться в форме «kilogram », позднее ставшее популярным и в Великобритании Положение о мерах и весах (англ. Weights and Measures Act ) в Великобритании не запрещает использование обоих написаний .

В XIX веке французское сокращение «kilo » было заимствовано в английский язык, где стало применяться для обозначения как килограммов , так и километров .

Природа массы

Килограмм является единицей массы , величины , которая соотносится с общим представлением людей о том, насколько тяжела та или иная вещь. В терминах физики, масса характеризует два различных свойства тела: гравитационное взаимодействие с другими телами и инертность . Первое свойство выражается законом всемирного тяготения : гравитационное притяжение прямо пропорционально произведению масс. Инертность находит отражение в первом (скорость объектов остаётся неизменной до тех пор, пока на них не воздействует внешняя сила) и втором законе Ньютона: a = F/m ; то есть объект массой m в 1 кг получит ускорение a в 1 метр в секунду за секунду (около одной десятой ускорения свободного падения , вызванного притяжением Земли) , когда на этот объект действует сила (или равнодействующая всех сил) в 1 ньютон . По современным представлениям, гравитационная и инертная массы эквивалентны .

Поскольку торговля и коммерция обычно имеют дело с предметами, чья масса намного значительней одного грамма, и поскольку стандарт массы, изготовленный из воды, был бы неудобен в обращении и сохранении, было предписано отыскать способ практической реализации такого определения. В связи с этим был изготовлен временный эталон массы в виде металлического предмета в тысячу раз тяжелее, чем грамм, - 1 кг.

Французский химик Луи Лефёвр-Жино (англ. Louis Lefèvre-Gineau ) и итальянский натуралист Джованни Фабброни (англ. kilogramme des Archives 1889 году было принято международное определение килограмма как массы международного прототипа килограмма ; это определение продолжит действовать до мая 2019 года.

Были изготовлены также копии международного прототипа килограмма: шесть (на данный момент) официальных копий; несколько рабочих эталонов, используемых, в частности, для отслеживания изменения масс прототипа и официальных копий; и национальные эталоны, калибруемые по рабочим эталонам . Две копии международного эталона были переданы России , они хранятся во ВНИИ метрологии им. Менделеева .

За время, прошедшее с изготовления международного эталона, его несколько раз сравнивали с официальными копиями. Измерения показали рост массы копий относительно эталона в среднем на 50 мкг за 100 лет . Хотя абсолютное изменение массы международного эталона не может быть определено с помощью существующих методов измерения, оно определённо должно иметь место . Для оценки величины абсолютного изменения массы международного прототипа килограмма приходилось строить модели, учитывающие результаты сравнений масс самого прототипа, его официальных копий и рабочих эталонов (при этом, хотя обычно участвующие в сравнении эталоны обычно предварительно промывали и чистили, но не всегда), что дополнительно усложнялось отсутствием полного понимания причин изменений масс. Это привело к пониманию необходимости ухода от определения килограмма на основе материальных предметов .

В 2011 году XXIV Генеральная конференция по мерам и весам приняла Резолюцию, в которой предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) продолжить переопределение основных единиц таким образом, чтобы они были основаны не на созданных человеком артефактах, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов . В частности предлагалось, что «килограмм останется единицей массы, но его величина будет установлена путём фиксации численного значения постоянной Планка в точности равным 6,626 06X⋅10 −34 , когда она выражается единицей СИ м 2 ·кг·с −1 , которая равна Дж·с». В Резолюции отмечается, что сразу после предполагаемого переопределения килограмма масса его международного прототипа будет равна 1 кг, но это значение приобретёт погрешность и впоследствии будет определяться экспериментально. Такое определение килограмма стало возможным благодаря прогрессу физики в XX веке.

В 2014 году было проведено внеочередное сравнение масс международного прототипа килограмма, его официальных копий и рабочих стандартов; на результатах этого сравнения основаны рекомендованные значения фундаментальных постоянных CODATA 2014 и 2017 годов, на которых, в свою очередь, основывается новое определение килограмма.

Решение вступит в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

Интересно, что масса 1 м³ дистиллированной воды при 4 °C и атмосферном давлении, принятая за ровно 1000 килограммов в историческом определении 1799 года, и согласно современному определению составляет приблизительно 1000,0 килограммов .

Кратные и дольные единицы

По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10 −3 кг).

10 −2 г 10 −3 г 10 −6 г 10 −9 г 10 −12 г 10 −15 г 10 −18 г 10 −21 г 10 −24 г

Наверное, многие читатели помнят телевизионную рекламу одного сотового оператора, в которой появился знаменитый слоган "Скока вешать в граммах?" "Точность никогда не бывает лишней", - резюмировал свой вопрос один из героев ролика . На самом деле, он лукавил - точно отвесить, скажем, 200 граммов чего-либо невозможно. И дело не только в том, что существующие способы взвешивания плохи - просто у людей нет надежного эталона килограмма, а значит, и грамма.

Потребность в разработке стандартов, ориентируясь на которые можно определять значения массы, времени, длины и температуры (а после появления физики еще силы света, силы тока и единицы вещества) возникла у человечества давно. Потребность эта вполне объяснима - для того чтобы строить дороги и дома, путешествовать и торговать, необходимы были неизменные единицы, используя которые два строителя или торговца могли бы понимать, что нарисовано в чертежах друг друга и о каких количествах товара идет речь.

Свои собственные единицы измерения были у каждой цивилизации: например, в Древнем Египте массу измеряли в кантарах и киккарах, в Древней Греции - в талантах и драхмах, а на Руси - в пудах и золотниках. Как любят говорить ученые, при создании каждой из этих единиц люди как бы договаривались , что отныне масса, длина или температура чего-либо будут сравниваться с одной единицей массы, длины или температуры соответственно. Число тех, кто непосредственно участвовал в этих договоренностях, было очень невелико - у двух торговцев из разных концов страны пуды вполне могли отличаться на треть.

Как бы договоренности прекрасно работали до тех пор, пока люди не начали всерьез заниматься наукой и осваивать инженерное дело. Оказалось, что для описания законов природы или создания парового котла приближенных значений недостаточно, особенно если в работе принимают участие люди из разных стран. Осознав этот факт, ученые со всего мира занялись разработкой единых точных стандартов, или эталонов, для основных единиц измерения. 20 мая 1875 года во Франции было подписано соглашение об установлении этих единиц - Метрическая конвенция. Все страны, подписавшие этот документ, обязались использовать в качестве эталонов специально созданные стандарты. Для обеспечения государств-подписантов самыми точными эталонами была создана Международная палата мер и весов (или Международное бюро мер и весов). В задачи этой организации входит регулярное сравнение национальных эталонов между собой и курирование работ по созданию более точных способов измерения.

В России введение метрической системы связано с именем Дмитрия Ивановича Менделеева, создавшего в 1893 году Главную палату мер и весов и вообще немало сделавшего для развития метрологии. Свой интерес к точным измерениям он объяснял так: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры". Благодаря усилиям Менделеева, с первого января 1900 года в России наряду с национальными были разрешены к применению метрические меры.

После подписания Метрической конвенции специалисты занялись разработкой единых эталонов метра и килограмма (эти единицы измерения существовали и до 1875 года, однако эталонов, которые бы признавались во всем мире, не существовало). Эталон метра был установлен после знаменитой экспедиции по измерению длины дуги Парижского меридиана и представлял собой линейку из сплава платины и иридия в соотношении 9 к 1, длина которой равнялась одной сорокамиллионной части меридиана. По месту хранения его стали называть "метр архива" или "архивный метр". Эталон килограмма был отлит из того же сплава, и его масса соответствовала массе одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 градуса Цельсия (когда вода имеет максимальную плотность) и стандартном атмосферном давлении на уровне моря. В 1889 году в ходе первой Генеральной конференции по мерам и весам была принята система мер, основанная на только что изготовленных эталонах метра и килограмма, а также на эталоне секунды. Стандартом секунды стала считаться 1/86400 часть продолжительности средних солнечных суток (позже эталон привязали к тропическому году - секунду приравняли к 1/31556925,9747 его части). Страны, признавшие новую систему мер, получили копии этих эталонов, а прототипы отправились на хранение в Палату мер и весов.

Через некоторое время к этим трем эталонам добавились эталоны канделы (сила света), ампера (сила тока) и кельвина (температура). В 1960 году одиннадцатая Генеральная конференция по мерам и весам приняла систему мер и весов, основанную на использовании этих шести единиц и моля (единица количества вещества - его эталона не существует) - новая система получила название Международная система единиц, или СИ. Казалось бы, на этом история эталонов должна была завершиться, однако, в действительности, она только начиналась.

Все, что может испортиться…

По мере совершенствования технологий измерения стало ясно, что все хранящиеся в Париже эталоны не идеальны. Постепенно ученые приходили к мысли, что за стандарты основных единиц стоит брать не рукотворные предметы, а гораздо более совершенные образцы, уже созданные природой. Так, за стандарт секунды приняли интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 кельвинов при отсутствии возмущения внешними полями, а за стандарт метра - расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды. В отличие от старых, новые стандарты являются атомными или квантовыми, то есть в них "работают" самые "базовые" законы природы.

Постепенно шесть из семи основных единиц СИ получили способы воспроизведения, для которых не нужен уникальный эталон, хранящийся где-то в одном месте. Теоретически, любой ученый, который захочет точно (очень точно) узнать, например, сколько длится секунда, может взять миллиграмм-другой изотопа цезия-133 и отсчитать, когда произойдут 9192631770 периодов излучения (кстати, свои атомные стандарты времени установлены, например, на всех спутниках GPS). "В девушках" остался только килограмм - его эталон все еще пылится в глубоком подвале под Парижем.

Слово "пылится" в предыдущем абзаце вовсе не является стилистическим украшением - пыль на самом деле постепенно скапливается на эталоне килограмма, несмотря на все контрмеры. Достать платино-иридиевый цилиндр и протереть нельзя - во-первых, при извлечении на нем опять же осядет пыль, а во-вторых, протирка или даже обмахивание щеточкой неминуемо приведет к "отскакиванию" нескольких молекул. Иными словами, независимо от того, что делают или не делают с эталоном, его масса со временем изменяется. Долгое время считалось, что эти изменения незначительны, однако проведенная несколько лет назад проверка показала, что за последнее время эталон "похудел" на 50 микрограммов, а это уже внушительные потери.

Моль, кремний и золото

Возможный выход из этого печального положения (за какой-нибудь миллиард лет эталон станет легче на треть) предложили в 2007 году два американских ученых из Технологического института Джорджии. Вместо переменчивого цилиндра они предложили считать стандартом массы куб из углерода, который будет содержать строго определенное количество атомов. Так как масса каждого отдельного атома постоянна, то и масса их совокупности также не будет меняться. Исследователи рассчитали, что куб массой ровно один килограмм будет состоять из 2250 х 28148963 3 атомов (50184513538686668007780750 атомов), а его грань составит 8,11 сантиметра. За три года ученые уточнили некоторые детали и представили свои соображения в статье, препринт которой можно найти на сайте arXiv.org.

Американские физики озаботились проблемой стандарта килограмма и выбрали в качестве "эталонного" элемента углерод неспроста - до этого они занимались уточнением числа Авогадро - одной из фундаментальных констант, определяющей, сколько атомов содержится в одном моле любого вещества. Хотя это число и является одним из самых главных в химии, его точного значения не существует (в числе прочих вопросов ученые, например, решали, четное оно или нет). Число Авогадро подобрано так, чтобы масса моля в граммах равнялась массе молекулы (атома) в атомных единицах массы. Атом углерода имеет массу 12 атомных единиц массы, а значит, масса моля углерода должна составлять12 граммов. Уточнив число Авогадро и приняв его равным 84446886 3 (602214098282748740154456), исследователи смогли рассчитать необходимое число атомов углерода в эталоне.

Не исключено, что новая работа будет рассмотрена на очередной Генеральной конференции по мерам и весам, которая пройдет в 2011 году. Однако у ученых из Джорджии есть конкуренты. Например, в Вашингтонском национальном институте стандартов и технологии очень активно работают над концепцией электронного килограмма. Вкратце суть предлагаемого ими метода такова: эталон определяется через силу тока, которая необходима для создания магнитного поля, способного уравновесить груз в один килограмм. Этот способ очень хорош, так как позволяет добиться высокой точности (он основан на использовании еще одной фундаментальной константы - постоянной Планка), однако сам эксперимент чрезвычайно сложен.

Еще один вариант нового эталона – кремниевая сфера, параметры которой рассчитаны таким образом, что она будет содержать строго определенное количество атомов (этот расчет можно провести, так как ученым известно расстояние между отдельными атомами, а сам процесс производства чистого кремния очень хорошо налажен). Такая сфера даже была создана, но с ней немедленно возникли сложности, напоминающие сложности нынешнего эталона - со временем сфера теряет часть своих атомов и, кроме того, на ней образуется пленка оксида кремния.

Третий подход к созданию эталона предполагает, что он будет каждый раз производиться de novo . Для получения стандарта массы необходимо накапливать ионы висмута и золота до тех пор, пока их суммарный заряд не достигнет определенного значения. Этот метод уже признали неудовлетворительным: он требует слишком много времени, а результаты плохо воспроизводятся. Вообще, с высокой вероятностью, все описанные способы получения нового эталона килограмма, кроме способа, основанного на использовании числа Авогадро, останутся только в памяти историков науки, так как в отличие от остальных, эталон килограмм в виде куба из изотопа углерода-12 основан на прямом использовании одного из фундаментальных атомных понятий.

Пока неясно, станет ли углеродный эталон общепризнанным или же ученые придумают новый, более удобный способ. Но тот факт, что хранящийся в Париже цилиндр, верой и правдой служивший людям 120 лет, скоро отправится на пенсию, сомнений не вызывает.

Назад

История килограмма

7 апреля 1795 года во Франции было утверждено официальное определение грамма, новой единицы массы, под которой стали понимать вес кубического сантиметра чистой воды, находящегося при температуре 0°С. К слову, сама идея привязать определение массы к объему воды была вовсе не нова. Впервые она была озвучена английским философом Дж. Уилкинсоном в 1668 году. Однако, на практике грамм в силу своей малой величины оказался неудобен в использовании в торговле. По этой причине была продолжена работа над определением килограмма, равного, соответственно, массе одного литра чистой воды.

Спустя несколько лет кропотливых исследований химик Луи Лефевр-Жино и натуралист Джованни Фабброни уточнили условия наиболее стабильного состояния воды. По мнению ученых, наибольшей плотностью и, следовательно, устойчивостью вода обладала при температуре 4°С. Полученные результаты были учтены в 1799 году в процессе переопределения килограмма. В том же году был отлит и первый эталон новой единицы массы, выполненный в форме платиновой . Однако, в последствии выяснилось, что масса гири превышала массу эталонного литра воды на 0,028 грамм. В 1889 году в Лондоне был отлит металлический цилиндр, ставший новым эталоном килограмма. Изделие из сплава иридия и платины размером с солонку было доставлено в Париж, где подверглось окончательной обработке. И по сей день эталон килограмма в условиях вакуума хранится в Международном бюро мер и весов.

В конце ХХ столетия ученые забили тревогу. Эталон взвесили на весах Ватта: предельно точный механизм позволил определить массу цилиндра с точностью до 10 микрограмм. Результаты взвешивания оказались неутешительными. Выяснилось, что масса цилиндра с годами стала меньше. И хотя за все время своего существования Парижский эталон потерял всего 50 микрограмм — 1/ 200 000 000 от своего изначального веса — стало очевидно, что необходимо определить новую физическую константу килограмма. Ведь от точности эталона зависит точность его копий, и, следовательно, точность производимых измерений во всем мире.

На сегодняшний день килограмм остается единственной единицей , эталоном которой служит предмет, изготовленный людьми. Современные ученые ищут основу для переопределении килограмма в мире атомов, среди фундаментальных физических постоянных. Так, существуют предложения связать его массу с числом Авогадро или постоянной Планка. Планируется, что окончательное решение по переопределению килограмма будет вынесено к 2018 году.

Килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, хранящегося в Международном бюро мер и весов и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Первоначально в качестве единицы массы химик Антуан Лавуазье и кристаллограф Рене Жюст Айи предложили в 1793 году французской Комиссии мер и весов использовать грамм - массу одного кубического сантиметра чистой воды при температуре плавления льда. Для удобства практического использования уже упоминавшийся Ленуар изготовил эталонную медную гирю массой в 1000 грамм. С 1795 года новую единицу массы стали называть килограммом. Через четыре года было принято предложение физика Луи Лефевра-Гиньо взвешивать воду при температуре ее максимальной плотности (4°С). Новый эталон килограмма был изготовлен из платины и помещен на хранение в Архив Республики. Были также сделаны несколько его копий для использования в качестве образцов при изготовлении гирь. Однако произведенные в XIX веке измерения показали, что масса 1 дм 3 воды на 0,028 г меньше массы архивного эталона. Чтобы не допустить в будущем никаких разночтений, Международная комиссия по эталонам метрической системы в 1872 году решила принять в качестве единицы массы массу прототипа - Архивного килограмма.

В 1880 году увидел свет международный эталон килограмма из сплава, состоящего из платины и иридия, тогда же были изготовлены и четыре из шести ныне существующих официальных копий этого эталона.

Все они сейчас хранятся под двумя герметичными стеклянными колпаками в сейфе, расположенном в подвале Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures - BIPM) в Севре неподалеку от Парижа. В 1889 году 1-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла определение килограмма как равного массе международного эталона. Это определение действительно и в наше время.К сведению - Международное бюро мер и весов, МБМВ (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIMP) - постоянно действующая международная организация со штаб-квартирой, расположенной в городе Севр (предместье Парижа, Франция). Учреждено в 1875г., вместе с подписанием Метрической конвенции. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции. В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

Копия международного эталона хранятся также и в Российской Федерации, во ВНИИ метрологии им. Менделеева. Примерно раз в 10 лет национальные эталоны сравниваются с международным. Эти сравнения показывают, что точность национальных эталонов составляет примерно 2 мкг. Так как они хранятся в тех же условиях, нет никаких оснований считать, что международный эталон точнее. По разным причинам, за сто лет международный эталон теряет 0,00000003-ую часть своей массы. Однако, по определению, масса международного эталона в точности равна одному килограмму. Поэтому любые изменения действительной массы эталона приводят к изменению величины килограмма.

Килограмм - одна из семи основных величин международной системы единиц СИ. Остальные - метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела - не привязаны к конкретным материальным носителям. Платиново-иридиевый эталон метра был отменен в 1960 году. Единственный в настоящее время оставшийся «механический» эталон - это килограмм. Но даже масса главного международного эталона со временем меняется - к настоящему времени считается, что он «похудел» на 50 мкг за счет микропереноса вещества на поверхность подставки во время хранения, а также на поверхность захватов, которыми его перемещают при сверке с национальными эталонами.

Всё это может искажать результаты сверхточных научных расчетов, поэтому ученые задумываются о необходимости дать новое определение килограмму. В 1975 году доктор Брайан Киббл из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании предложил идею так называемых ватт-весов. Это устройство позволяет связать между собой единицы электрической и механической мощности. «Эта связь - основа метрологии, - объясняет «Популярной механике» ведущий научный сотрудник Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева Эдмунд Француз. - Весы состоят из двух катушек, взаимодействующих между собой при протекании электрического тока. В отличие от токовых весов, здесь используется дополнительная калибровка при движении катушки с известной скоростью в эталонном магнитном поле. За счет этого удается существенно уменьшить ошибку измерения силы взаимодействия, обусловленную геометрией катушки. Таким образом, можно выразить килограмм через электрические единицы, измеренные на основе квантовых эффектов, то есть через фундаментальные константы, - это позволит избавиться от «механического» эталона. Пока что работающие ватт-весы реализованы в США в NIST и в NPL, но на данный момент наименьшая погрешность их измерений составляет 3,6×10 –8 , что минимум в два раза хуже, чем необходимо для эталона».

Другой способ переопределить килограмм предложила группа ученых из Германии, Австралии, Италии и Японии под руководством исследователей из Физико-технического института Германии. Они намерены использовать «метод Авогадро», то есть определить килограмм как энное число атомов. «Основные трудности этого метода в том, что нужно построить идеальную кристаллическую решетку, - говорит Эдмунд Француз, - без единого дефекта, и притом из одного изотопа - кремния-28. Относительная погрешность этого метода пока еще слишком велика - 3,1×10 –7 . Кстати, было еще одно направление, которое разрабатывалось у нас во ВНИИМ и в Японии, - метод левитирующей сверхпроводниковой массы, который обеспечивал точность порядка 4×10 –6 . Но по различным причинам исследования не были завершены ни в одной из стран».

Так что килограмм пока остается последним чисто механическим эталоном.

К сведению - допустимая абсолютная погрешность широко распространенной гири массой 1 килограмм составляет 0,5 грамма.

По материалам сайтов:www.omedb.ru; www.russianamerica.com; wikipedia.org.

Эталон килограмма, хранящийся в Париже
– единица массы в Международной системе единиц (СИ) и некоторых других метрических системах. По определению один килограмм равен массе международного прототипа килограмма. Килограмм входит в семи основных единиц СИ, через которые определяется много других единиц. Это единственная одниця СИ с префиксом. Единица без префикса – грамм – равен одной тысячной килограмма.
Килограмм является единицей массы, а не веса, хотя в посякденному потребления понятие массы и веса часто путают. Единицей силы, а вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес, в системе СИ является ньютон. Раньше, до 1960, использовалась единица килограмм-сила. Ее можно встретить в старой физической литературе, и в некоторых технических областях, однако в физике использования этой единицы не рекомендуется как устаревшей.
Поскольку масса прототипа килограмма меняется со временем, а точное определение основной единицы СИ важно для точных измерений многих физических величин, Международный комитет мер и весов принял в 2005 решение о необходимости переопределения килограмма через фундаментальные физические постоянные. Однако, окончательное решение по этому поводу ожидается не ранее 2015.
Килограмм как единица массы был предложен после Великой французской революции с целью упорядочения системы единиц с применением десятичной системы. 7 апреля 1795 была провозглашена новую единицу грамм, как «абсолютный вес объема воды, равном кубу одной сотой части метра при температуре плавления льда». Килограмм при этом определении был производной единицей, равной тысяче граммов. Ввиду того, что стандарт в виде определенного количества воды был бы ненадежным, возникла проблема его практической реализации. Был изготовлен временный металлический эталон, с весом в 1000 граммов. Вместе была поставлена задача точного измерения массы одного дециметра кубического, т.е. литра, воды.
После нескольких лет исследований французский химик Луи Лефевр-женск и итальянский естествоиспытатель Джованни Фабброни сделали вывод, что точное определение будет не при температуре плавления льда, 0 ° C а при температуре, при которой плотность воды наибольшая – 4 ° C. Определена масса составляла 99.9265% временного эталона. В 1799 был изготовлен платиновый эталон, масса которого соответствовала массе воды при 4 ° C. Этот килограмм получил название килограмма архива и служил эталоном течение следующих 90 лет.
Современным эталоном килограмма является цилиндрическая гиря высотой и диаметром 39 миллиметров, что хранится в Международном бюро мер и весов в Севре (пригород Парижа, Франция). Эта гиря отлитая в 1879 году из сплава платины (90%) и иридия (10%), впервые приготовленного французским химиком Сент-Клер Девиль в 1872 году. Прототип был утвержден первый Генеральной конференцией мер и весов в 1889 году.
В 1875 году 17 стран мира подписана Метрическая конвенция, которая положила начало процесс создания международной системы единиц. Международный прототип килограмма был изготовлен как результат этой договоренности. Благодаря использованию сплава платины и иридия увеличилась жесткость образца. Кроме самого прототипа в Международном бюро мер и весов сохраняется еще шесть его копий. Примерно 80 копий этого эталона также хранятся в других странах.
Когда килограмм был утвержден в качестве единицы еще не было четкого понимания разницы между массой и весом. Масса – характеристика инерционных свойств тел. Вес – это сила, с которой тело действует на опору или подвес. Значение массы тела одинаково в любой точке Земли, тогда как вес зависит от силы тяжести, то есть разная в разных точках Земли, зависит от географической широты и долготы, высоты над уровнем моря и даже от пород, залегающих под поверхностью в конкретном месте.
С целью устранения путаницы, существовавшей в то время, 1-я Генеральная конференция по мерам и весам (1889) утвердила международный прототип килограмма как прототип единицы массы. В решениях 3-й Генеральной конфереции мер и весов четко разграничены килограмм за единицу силы и килограмм как единицу массы.
Существует также отдельное фундаментальное физическое вопрос о равенстве инерционной и гравитационной масс, но в контексте определения эталона килограмма не существенное.
Изменение массы национальных прототипов килограмма K21-K40 и сестринских копий K32 и K8 (41) со временем относительно международного прототипа. Все измерения представлены как относительные. Измерений массы, которые свидетельствовали бы о том, какой из прототипов найстабильшиший о природных инвариантов нет. Существует возможность, что все прототипы увеличили свою массу за 100 лет, а K21, K35, K40 и международный прототип набрали меньшую массу, чем другие. Точность воспроизведения единицы массы – килограмма – с помощью прототипа килограмма (относительная погрешность не превышает 2.10 -8) в основном удовлетворяет запросы современной науки и техники. Однако перспективы их развития требуют дальнейшего повышения точности воспроизведения единиц массы. Кроме того, зруйновнисть и невидтворюванисть международного прототипа килограмма оставляет в центре внимания метрологов проблему установления естественной меры для килограмма.
В результате последнего (на 2005 год) сопоставление копий и эталона килограмма было выявлено, что общий эталон (который находится в Париже) потяжелел на 28 микрограммов. Учитывая это, а также для установления более стабильного эталона массы, сейчас предложено несколько вариантов замены эталона килограмма на надежный (например, нанеся количество атомов в кристалле какого-либо химического элемента, или выразив через единицы энергии, расходуемых при переходах между электронными уровнями, или с помощью так называемых "обратных ампер-весов"). Но до сих пор альтернативные определения килограмма не приняты.
Другое направление решения этой проблемы заключается в разработке и создании образцов массы одноизотопного состава. Проведенные исследования показывают реальную возможность воспроизведения единицы массы с точностью, намного превышает любые практические запросы.