Сферите, които промениха света: историята на проекта Авогадро

Остарелият еталон е заменен с перфектни силициеви сфери.

На въпроса „Кой е най-кръглият предмет в света?“ може да се отговори по различни начини, като изборът на отговор зависи от нивото на научните познания. За тези, които не са много запознати с физиката, естественият отговор може да бъде нещо като: „Как изобщо се измерва закръглеността?“.

Тези, които имат малко по-добри познания за науката, може да си спомнят как разтопен метал, падащ от височина във вода, образува перфектни сфери. Този метод е използван за масовото производство на фракции и е един от най-известните примери за създаване на кръгли обекти на Земята.

Но за истинските ценители на науката има само един верен отговор: сферите, направени от силиций от Международния проект Авогадро.

Сферите от силиций

В целия свят се съхраняват седем идеално полирани сфери в страни като Австралия, САЩ, Германия, Япония и други. Тези уникални, почти съвършено съвършени форми са създадени от международна общност от учени и правителствени организации с една единствена цел – да променят света на фундаментално ниво.

Въпреки че звучи като сценарий за поредния филмов хит, Международният проект Авогадро, който обединява изследователите от целия свят от началото на 90-те години на миналия век, е напълно реален. Именно те са поръчали създаването на тези сфери, които са произведени в Австралийската агенция за научни и промишлени изследвания (CSIRO), при това с невероятна прецизност.

Колко кръгли са тези сфери? Националният институт по стандартизация и технологии (NIST), един от участниците в проекта, отбелязва, че повърхността им е толкова гладка, че ако бъдат увеличени до размера на Земята, разликата между най-високата планина и най-дълбокия океан ще бъде само 3-5 метра.

За измерване на диаметъра на сферите с точност до нанометър са използвани устройства, наречени оптични интерферометри. Всяка сфера струва около 3,2 млн. долара и е изработена ръчно от майстор производител на лещи.

Така възниква въпросът: за какво е всичко това?

Това не е килограм

Проектът „Авогадро“ има за цел да използва идеални силициеви сфери, за да определи с голяма точност стойността на константата на Авогадро – основна физична величина. Оттук идва и стремежа да се използва константата на Авогадро за предефиниране на килограма.

Първоначално, през XVIII век, мерните единици в метричната система се основават на природни обекти: метърът е определен като една десетмилионна част от разстоянието от Северния полюс до екватора, литърът – като обем на 1/1000 част от кубичен метър вода при точката на топене на леда, а килограмът – като маса на този обем вода във вакуум.

За да затвърди тези определения, през 1799 г. Френската академия на науките създава физически обекти, които да представят тези единици: платинен прът с дължина точно един метър и цилиндър с тегло точно един килограм – така нареченият „Големият К“ (Le Grand K).

С течение на времето тези единици стават популярни в целия свят и през 1875 г. 17 държави подписват Метричната конвенция, с която се създава Генералната конференция по мерки и теглилки. В Севр, близо до Париж, е създадена лаборатория, в която се установяват международните стандарти за метър и килограм, а копия от тях са изпратени до всички подписали страни с цел разпространение и стандартизиране на метричната система.

Въпреки това системата, основана на физически обекти, има своите недостатъци. Така например към 1989 г. масата на еталонните килограми започва да се разминава – разликата достига до 50 микрограма. Това показва, че физическите обекти не са надеждна основа за точни измервания и водят до получаването на недостоверни резултати, а това е недопустимо в рамките на съвременната наука.

Как да се създаде един килограм

През 2005 г. Международният комитет по мерки и теглилки препоръча килограмът да се дефинира наново въз основа на някаква универсална константа. Най-вероятният кандидат беше константата на Планк. Въпреки това бяха предложени и алтернативни методи, като например използването на константата на Авогадро, което би изисквало създаването на обект от точно известно количество материя.

В крайна сметка създадените в рамките на проекта силициеви сфери предоставиха много по-точни данни от Големия К. Дори тези сфери да бъдат изгубени или повредени, това няма да се отрази на определението за килограм, тъй като той ще бъде определен по-скоро от една концепция, отколкото от физически обект.

Новият еталон на килограма се базира на Константата на Планк – постоянна величина, която се използва във всички уравнения и формули на квантовата механика. Пресмятането на значението на килограма вече ще става с помощта на електромеханична инсталация с име Везната на Кибъл. В тази везна, еталонът е натоварване, което уравновесява силата на отблъскване между постоянен магнит и индуктивност, по която протича ток.

Благодарение на новия метод, всяка държава може по всяко време самостоятелно да си направи подобна инсталация, без да се налага сверяване с главния еталон.

И въпреки че в крайна сметка килограмът беше предефиниран въз основа на константата на Планк, за проверка на валидността на това определение могат да се използват и други природни константи.

Най-малкото, проектът е създал невероятно гладки и кръгли сфери, което само по себе си е значително постижение.