Эталон килограмма массы. Эталон килограмма худеет. Сколько стоит эталон

Точность не бывает лишней. Именно поэтому во всем мире создана и существует система международных измерений, выраженная в эталонах всех известных человеку измерений. И только эталон килограмма выделяется в линейке единиц измерения. Ведь именно он единственный имеет физический реально существующий прототип. Сколько весит и в какой стране хранится международный эталон килограмма, ответим в этой статье.

Зачем нужны эталоны?

Килограмм, например апельсинов, весит одинаково в Африке и в России? Ответ - да, почти. А все благодаря международной системе определения стандартов эталонакилограмма, метра, секунды и других физических параметров. Эталоны измерений необходимы человечеству для обеспечения экономической деятельности (торговли) и строительной (единство чертежей), промышленной (единство сплавов) и культурной (единство временных интервалов) и многих других сфер деятельности. И если в ближайшем будущем сломается ваш айфон, то весьма вероятно, что это случилось из-за изменений в весе самого главного эталона массы.

История стандартов

Каждая цивилизация имела собственные стандарты и эталоны, которые сменяли друг друга по прошествии веков. В Древнем Египте масса предметов измерялась в кантарах или киккарах. В Древней Греции это были таланты и драхмы. А в России масса товара измерялась в пудах или золотниках. При этом люди разных экономических и политических систем как бы договаривались о том, что единица измерения массы, длины или другого параметра будет сопоставима с единой договорной единицей. Что интересно, даже пуд в давние времена мог отличаться на треть у торговцев из разных стран.

Физика и стандарты

Договоренности, часто устные и условные, работали до того, пока человек не занялся всерьез наукой и инженерным делом. С пониманием законов физики и химии, развитием промышленности, созданием парового котла и развитием международной торговли появилась необходимость в более точных единых стандартах. Подготовительная работа была длительной и кропотливой. Физики, математики, химики всего мира работали над поиском универсального эталона. И в первую очередь - международного эталона килограмма, ведь именно от отталкиваются другие физические параметры (Ампер, Вольт, Ватт).

Метрическая конвенция

Знаменательное событие произошло в предместье Парижа в 1875 году. Тогда впервые 17 стран (и Россия в их числе) подписали метрическую конвенцию. Это международный договор, обеспечивающий единство стандартов. Сегодня к ней присоединились 55 стран в качестве полноправных членов и 41 страна как ассоциированные члены. Тогда же созданы Международное бюро мер и весов и международный комитет мер и весов, главная задача которых следить за единством стандартизации по всему миру.

Эталоны первой метрической конвенции

Эталоном метра стала линейка из сплава платины и иридия (9 к 1) длиною в одну сорокамиллионную часть Парижского меридиана. Эталон килограмма из такого же сплава соответствовал массе одного литра (дециметра кубического) воды при температуре в 4 градуса по Цельсию (наивысшая плотность) при стандартном давлении над уровнем моря. Стандартом секунды стала 1/86400 часть длительности средних солнечных суток. Все 17 стран участников конвенции получили по копии эталона.

Место Z

Прототипы и оригинал эталона сегодня хранятся в Палате мер и весов в г. Севр под Парижем. Именно в предместье Парижа и находится место, где хранится эталонкилограмма, метра, канделы (сила света), ампера (сила тока), кельвина (температура) и моль (как единица вещества, физического эталона нет). Система мер и весов, которая основана на этих шести эталонах, названа Международной системой единиц (СИ). Но история эталонов на этом не окончилась, она еще только начиналась.

СИ

Система стандартов, которой мы пользуемся - СИ (SI), от французского Systeme International d’Unites - включает семь базовых величин. Это метр (длина), килограмм (масса), ампер (сила тока), кандела (сила света), кельвин (температура), моль (количество вещества). Все остальные физические величины получаются путем различных математических исчислений с использованием базовых величин. Например, единица силы равна кг х м/с 2 . Все страны мира, кроме США, Нигерии и Мьянмы, используют систему СИ для измерений, что означает сравнение неизвестной величины с эталоном. А эталон - это эквивалент физического значения, о котором все договорились, что он абсолютно точен.

Эталон кило это сколько?

Казалось бы чего проще - эталон 1 килограмма это вес 1 литра воды. Но на самом деле это не совсем так. Что принимать за эталон килограмма из порядка 80 прототипов - вопрос довольно сложный. Но волею случая был выбран оптимальный вариант состава сплава, который просуществовал более 100 лет. Эталон килограмма массы изготовлен из сплава платины (90 %) и иридия (10 %), и представляет собой цилиндр, диаметр которого равен высоте и составляет 39,17 миллиметров. Были также изготовлены и его точные копии, количеством в 80 штук. Копии эталона килограмманаходятся в странах-участниках конвенции. Главный же эталон хранится в предместье Парижа и накрыт тремя герметичными капсулами. Везде, где находится эталон килограмма,с периодичностью в десять лет проводится сверка с самым главным международным эталоном.

Самый главный эталон

Международный эталон килограмма был отлит в 1889 году и хранится в г. Севр во Франции в сейфе Международного бюро мер и весов, накрытый тремя герметичными колпаками из стекла. Ключи от этого сейфа есть лишь у трех высокопоставленных представителей бюро. Вместе с главным эталоном в сейфе находится и шесть его дублеров или преемников. Каждый год главную меру веса, что принимается за эталон килограмма, торжественно извлекают для освидетельствования. И с каждым годом он становится все худее и худее. Причина такого похудения - отрыв атомов при извлечении образца.

Российская версия

Копия эталона есть и в России. Хранится он во ВНИИ метрологии им. Менделеева в Санкт-Петербурге. Это два платиново-иридиевых прототипа - № 12 и № 26. Они находятся на подставке из кварца, накрыты двумя стеклянными колпаками и закрыты в металлическом сейфе. Температура воздуха внутри капсул 20 °С, влажность 65 %. Отечественный прототип имеет вес 1, 000000087 килограмма.

Эталон килограмма худеет

Сверки эталона показали, что точность национальных эталонов порядка 2 мкг. Все они хранятся в аналогичных условиях, и расчеты показывают, что эталон килограмма за сто лет теряет в весе 3 х 10 −8 веса. Но по определению, масса международного эталона соответствует 1 килограмму, а любые изменения реальной массы эталона приводят и к изменению самого значения величины килограмма. В 2007 году выяснилось, что килограммовый цилиндр стал весить на 50 микрограмм меньше. И уменьшение его веса продолжается.

Новые технологии и новый эталон меры веса

Для устранения погрешностей ведется поиск новой структуры эталона килограмма. Есть разработки по определению эталоном определенного количества изотопов кремния-28. Существует проект «Электронный килограмм». В национальном институте стандартов и технологий (2005, США) сконструирован прибор, основанный на необходимой для создания электромагнитного поля, способного поднять 1 кг массы. Точность такого измерения - 99,999995 %. Есть разработки определения массы в отношении к массе покоя нейтрона. Все эти разработки и технологии позволят уйти от привязки к физическому эталону массы, достичь более высокой точности и возможности проведения сверки в любой точке мира.

Другие перспективные проекты

И пока мировые светила науки определяются, какой путь решения проблемы более надежен, самым перспективным считают проект, при котором масса не будет меняться с течением времени. Таким эталоном стало бы тело кубической формы из атомов изотопа углерода-12 с высотой в 8,11 сантиметра. В таком кубе будет 2250 х 281489633 атомов углерода-12. Исследователи из национального института стандартов и технологий США предлагают определять эталон килограмма, используя постоянную Планка и формулу E=mc^2 .

Современная метрическая система

Современные эталоны совсем не те, что были ранее. Метр, первоначально соотнесенный с длиною окружности планеты, сегодня соответствует расстоянию, что проходит луч света за одну 299792458-ю секунды. А вот секунда - это то время, за которое проходит 9192631770 колебаний атома цезия. Преимущества квантовой точности в данном случае очевидны, ведь они могут быть воспроизведены в любом месте планеты. В итоге, единственным эталоном, который существует физически, остается пока эталон килограмма.

Сколько стоит эталон?

Просуществовав более 100 лет, эталон уже стоит немало, как предмет уникальный и артефактный. А в целом для определения ценового эквивалента необходимо подсчитать количество атомов в килограмме чистого золота. Число получится из порядка 25 цифр и это без учета идейной ценности данного артефакта. Но пока о продаже эталона килограмма говорить рано, ведь пока не избавилось от единственно оставшегося физического эталона международной системы единиц.

Во всех часовых поясах планеты время определяется относительно всемирного времени UTC (например, UTC+4:00). Что примечательно, у аббревиатуры вообще нет расшифровки, она принята в 1970 году международным союзом электросвязи. Были предложены два варианта: английский CUT (Coordinated Universal Time) и французский TUC (Temps Universel Coordonné). Выбрали среднюю нейтральную аббревиатуру.

На море используется измерение «узел». Для измерения скорости корабля использовали специальный лаг с узлами на одинаковом расстоянии, который бросали за борт и отсчитывали количество узлов за определенный период времени. Современные приборы куда более совершенны, чем веревка с узлами, но название осталось.

Слово скурпулезность, значение которого чрезвычайная точность и аккуратность, пришло в языки от названия древнегреческого эталона веса - скрупула. Он был равен 1,14 грамму и использовался при взвешивании серебряных монет.

Название денежных единиц также часто берут начало в названиях мер веса. Так, стерлингами в Британии назывались монеты из серебра, таких монет весили фунт. В Древней Руси в ходу были «гривны серебра» или «гривны золота», что означало определенное количество монет, выраженное в весовом эквиваленте.

Странное измерение мощности автомобилей в лошадиных силах имеет вполне реальное происхождение. Изобретатель паровой машины именно так решил продемонстрировать преимущество своего изобретения над тяговым транспортом. Он подсчитал, сколько лошадь может поднять груза в минуту и обозначил это количество как одну лошадиную силу.

Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделеева.

Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, чересчур чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, данный прототип до сих пор служит всеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. В случае если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.

За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем данный прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр.
Размещено на реф.рф
В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. В случае если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия бывают очень трагичными. Ученые всего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.

Эталоны времени .

Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. К примеру, мобильная связь, мобильный телефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди все видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.

Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.

Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Далее данные всех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всего в одну наносекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.

ʼʼХранители времениʼʼ. Как бы загадочно должность этих специалистов ни звучала, атомные часы в Институте радиотехнических измерений, по которым сверяет стрелки вся страна, не выглядят фантастически. Хотя здесь оперируют нано и пико секундами, человеку почувствовать такую точность не дано.

ʼʼКогда говорят о точном времени, то в своей массе, на бытовом уровне, люди слышат, передающие сигналы проверки времени по радио ʼʼпи, пи, пиʼʼ, вот это точное время. На самом деле это время с нашей колокольни мало точное, очень скромной точности. Национальная шкала времени та͵ которую мы здесь формируем. Погрешность за сутки составляет приблизительно несколько стомиллиардных долей секунды в суткиʼʼ, Чтобы атомные часы убежали вперед или отстали на секунду, должны пройти миллионы лет. Главные потребители эталонного времени – сотовая связь и навигация.

ʼʼСовременные системы радионавигации пользуются электромагнитными сигналами, которые распространяются со скоростью светаʼʼ. За миллиардную долю секунды свет распространяется на 30 сантиметров. В случае если мы хотим с помощью ГЛОНАСС определять своё местоположение с метровой точностью, это значит, что вся система должна работать с погрешностью одну – две миллиардные доли секунды. GPS, ГЛОНАСС - ϶ᴛᴏ система спутников, которые предназначены для точного определения географических координат и точного времени. GPS, иначе ее называют NAVSTAR – американская группировка спутников, ГЛОНАСС – российская.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Полвека. Бурное развитие квантовой физики привело к тому, что в середине XX века появились первые атомные часы, а Международный комитет по мерам и весам принял решение перейти на атомный стандарт. Современный эталон времени - ϶ᴛᴏ цезиевый репер частоты. Прибор за стеклом, заходить в комнату нельзя, т.к. у прибора ʼʼтепличные условияʼʼ, они созданы специально для того, чтобы внешний мир не мешал работе. А если говорить о точности, то это десятимиллионная часть миллиардной доли секунды. Выговорить и осмыслить сложно. Казалось бы, что ещё в природе должна быть точнее? Оказывается, может - нейтронные звёзды. Пульсары или нейтронные звезды - это то, во что превращаются звёзды после своей гибели. Οʜᴎ взрываются, быстро закручиваются. Появляется шар с железной оболочкой и огромной силой притяжения, излучающий волны со строгой периодичностью. ʼʼЭлектрическое поле вырывает электроны прямо с поверхности звезды, а она железная, они летят, ускоряются и в направлении своего движения они излучают разные волныʼʼ. Пульсары открыли английские астрономы в 1967 году. Информация долго была секретной. Думали, что это сигнал внеземных цивилизаций. Ведь не могут природные объекты давать радиосигналы с такой частотой. Привлекали даже шифровальщиков. При этом гипотеза об искусственном происхождении вспышек не подтвердилась. ʼʼВ случае если бы мы захотели с кем-то вступить в контакт, - говорит Михаил Попов, - можно подавать позывные, они никакой информации не несут, импульсы, которые в жизни не должны образовываться. Пока не открыли пульсары, так думалиʼʼ. Идею, использовать пульсары для сверки земных часов, предложили российские ученые. Точность звёздных импульсов превосходит атомный эталон на несколько порядков. Получается, что вскоре, на вопрос: ʼʼКоторый час?ʼʼ человечеству будет отвечать Вселенная.

Международный прототип без защитного чехла

В сентябре 2014 года исполняется 125 лет с момента появления на свет международного прототипа килограмма . Решение о создании эталона было принято на Генеральной конференции мер и весов 7-9 сентября 1889 года в Париже.

Он хранится в Международном бюро мер и весов около Парижа и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Такой состав выбран из-за высокой плотности платины, так что эталон можно сделать относительно маленького размера: меньше спичечного коробка по высоте.

Национальный прототип килограмма Великобритании в защитном корпусе, 18-я копия международного прототипа

Масса международного прототипа примерно соответствует 1 литру воды при температуре 4°C, а его вес зависит от высоты над уровнем моря и силы гравитации.

Когда изготовляли международный прототип, вместе с ним сделали 40 копий из того же платино-иридиевого сплава. Их разослали по национальным бюро мер и весов в разных странах, чтобы учёным не приходилось обращаться к основному эталону каждый раз для проведения измерений.

Национальные прототипы сверяют с основным прототипом каждые 40 лет. Последняя проверка проходила в 1989 году, и тогда максимальная разница в весе составила 50 микрограммов. Эти девиации беспокоят учёных. Они понимают, что масса конкретного образца изменяется со временем из-за физических повреждений и появления прочих артефактов.

Национальный прототип хранится в сейфе Национальной физической лаборатории

К сожалению, для международного прототипа нынешний юбилей, скорее всего, станет последним. Сейчас подходят к завершению два эксперимента по созданию более точных эталонов массы. Их цель - определить массу через естественную природную константу, а не через эталонный образец.

Один из экспериментов предполагает определение килограмма через постоянную Планка. Для этого измеряют ток, проходящий через [проводную] катушку в магнитном поле, по отношению к силе гравитации, действующей на килограмм, объясняют специалисты Национальной физической лаборатории Великобритании, где в честь 125-летия килограмма открыли праздничный раздел на сайте. Именно в Великобритании в 1975 году начали эксперимент по ватт-балансу, который сейчас продолжают в Канаде.

Другой метод предлагают немецкие специалисты: в рамках проекта Авогадро создают кремниевую сферу размером с грейпфрут, которая содержит около 50 септиллионов атомов кремния-28.

Кремниевая сфера Авогадро

Поскольку известны масса кремния и плотность вещества, то эталонное значение килограмма можно привязать к объёму сферы и, соответственно, к постоянной Авогадро.

Измерение массы сферы Авогадро

Килограмм остался последней единицей СИ, которая выражается через физический эталон. Это указывает на то, что 125 лет назад физики очень грамотно выбрали материал для изготовления прототипа. И даже если скоро его выведут из использования, он сослужил хорошую службу за эти годы.

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

Измерение массы через вес тела - действие силы тяжести на измеряемый объект вызывает деформацию пружины.

Измерение гравитационной массы - действие силы тяжести на измеряемый объект уравновешено действием силы тяжести на противовес.

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.

Временный эталон был изготовлен из латуни и постепенно покрылся бы патиной , что было нежелательно, поскольку его масса не должна была меняться. В 1799 году под руководством Лефёвра-Жено и Фабброни был изготовлен постоянный эталон килограмма из пористой платины , которая химически инертна. С этого момента масса эталона стала основным определением килограмма. Сейчас этот эталон известен как kilogramme des Archives (с фр. - «архивный килограмм») .

Копия эталона 1 кг, хранится в США.

За XIX век технологии измерения массы значительно продвинулись. В связи с этим, а также в преддверии создания в 1875 году Международного бюро мер и весов , специальная международная комиссия запланировала переход к новому эталону килограмма. Этот эталон, называемый «международный прототип килограмма», был изготовлен из платиново-иридиевого сплава (более прочного, чем чистая платина) в виде цилиндра высотой и диаметром 39 мм , и с тех пор он хранится в Международном бюро мер и весов. В 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.

Рассматривалось также альтернативное определение килограмма, основанное на результатах работы The Avogadro Project. Команда проекта, создав сферу из изотопа кремния 28 Si массой 1 кг и рассчитав количество атомов в ней, предполагает описать килограмм как определённое количество атомов данного изотопа кремния . Однако Международное бюро мер и весов не стало использовать такой вариант определения килограмма .

XXVI Генеральная конференция по мерам и весам в ноябре 2018 года одобрила новое определение килограмма, основанное на фиксации численного значения постоянной Планка . 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).

Вместо мегаграмма (1000 кг), как правило, используют единицу измерения «тонна ».

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
10 1 г	декаграмм	даг	dag	10 −1 г	дециграмм	дг	dg
10 2 г	гектограмм	гг	hg	10 −2 г	сантиграмм	сг	cg
10 3 г	килограмм	кг	kg	10 −3 г	миллиграмм	мг	mg
10 6 г	мегаграмм	Мг	Mg	10 −6 г	микрограмм	мкг	µg
10 9 г	гигаграмм	Гг	Gg	10 −9 г	нанограмм	нг	ng
10 12 г	тераграмм	Тг	Tg	10 −12 г	пикограмм	пг	pg
10 15 г	петаграмм	Пг	Pg	10 −15 г	фемтограмм	фг	fg
10 18 г	эксаграмм	Эг	Eg	10 −18 г	аттограмм	аг	ag
10 21 г	зеттаграмм	Зг	Zg	10 −21 г	зептограмм	зг	zg
10 24 г	иоттаграмм	Иг	Yg	10 −24 г	иоктограмм	иг	yg
применять не рекомендуется не применяются или редко применяются на практике

См. также

Примечания

Написание kilogram является современной формой, используемой Международным бюро мер и весов, (NIST), Национальным метрологическим бюро (англ. National Measurement Office ) Великобритании, Национальным научно-исследовательским советом Канады , и (англ. ) Австралии.
В профессиональной метрологии ускорение, вызванное притяжением Земли, принимается как стандартное ускорение свободного падения (обозначается символом g ), которое определяется как точно 9,80665 м/с². Выражение 1 м/с² означает, что каждую секунду скорость изменяется на 1 метр в секунду.
В соответствии с теорией относительности и использовавшейся в первые десятилетия после её создания терминологией, масса тела m возрастает при увеличении скорости его движения согласно формуле m = γm 0 , где m 0 - масса покоящегося тела, а γ - Лоренц-фактор , значение которого определяется отношением скорости тела к скорости света . Этот эффект пренебрежимо мал, когда тела движутся с обычными для земных условий скоростями, которые на много порядков меньше скорости света, и с высокой точностью выполняется γ = 1 . В современной физике используется другая терминология: массой принято называть только не зависящую от скорости движения тела величину m 0 , а зависящей от скорости величине γm 0 специального наименования не присваивают и самостоятельного физического смысла не придают .
Эта же директива определила литр как «единицу измерения объёма как для жидкостей, так и для твёрдых тел, которая равна объёму куба [со стороной] в десятую часть метра». Оригинальный текст: «Litre , la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre. »
Современные измерения показывают, что температура, при которой вода имеет наибольшую плотность, составляет 3,984 °C. Однако учёные конца XVIII века использовали значение 4 °C.
Временный эталон килограмма был изготовлен в соответствии с единственным неточным измерением плотности воды, сделанным ранее Антуаном Лавуазье и Рене Жюст Гаюи , которое показало, что один кубический дециметр дистиллированной воды при 0 °C имеет массу в 18 841 гран согласно французской системе мер (англ. Units of measurement in France ), которой скоро предстояло исчезнуть. Более новое и аккуратное измерение, проведённое Лефёвром-Жино и Фабброни показало, что масса кубического дециметра воды при температуре 4 °C составляет 18 827,15 гран

Источники

Деньгуб В. М. , Смирнов В. Г. Единицы величин. Словарь-справочник. - М. : Издательство стандартов, 1990. - С. 61. - 240 с. - ISBN 5-7050-0118-5 .
Unit of mass (kilogram) (англ.) . SI Brochure: The International System of Units (SI) . BIPM . Проверено 11 ноября 2015.
Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации (неопр.) . Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений . Росстандарт . Проверено 28 февраля 2018.
Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants
Verifications (англ.) . Resolution 1 of the 25th CGPM (2014) . BIPM . Проверено 8 октября 2015.

Что такое килограмм? Детский вопрос! Это же масса литра воды. Чтобы получить его в домашних условиях, достаточно иметь водопроводный кран и литровую банку. Но вот «настоящее и полновесное» эталонное кило в последнее время стремительно теряет в весе.

Увы, всемирный эталон килограмма, как явствует из New York Times, стал жертвой загадочной и продолжительной болезни. Заглянем в анамнез.

В XVIII веке килограмм был определён как масса кубического дециметра воды при температуре её наибольшей плотности (4 o С). Как оказалось, такое определение не вполне конструктивно: нужен очень точный кубический дециметр, совершенно чистая вода и абсолютно правильный термометр.

За дополнительными сведениями о заболевшем обратимся в Книгу Судеб - БСЭ.

«Килограмм, единица массы, одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Он равен массе международного прототипа, хранимого в Международном бюро мер и весов. Прототип в 1799 году был выполнен в виде цилиндрической гири из платины.

Масса прототипа килограмма оказалась приблизительно на 0,028 грамма больше массы одного кубического дециметра воды.

Самый главный на сегодняшний день килограмм - просто кусок железа (фото bipm.org).

В 1889 году было принято существующее определение килограмма и в качестве международного прототипа была утверждена гиря со знаком К („К“ готическое заглавное), изготовленная из платиноиридиевого сплава (10% Ir) и имеющая форму цилиндра диаметром и высотой 39 мм».

Оказывается, сработанный английским ювелиром платиноиридиевый килограмм - единственная основная единица СИ, доблестно хранящая своё определение аж с позапрошлого века. И сама хранящаяся в виде материального артефакта.

Метр, например, поначалу соотнесённый с длиной земной окружности, теперь приравнен к расстоянию, проходимому светом за одну 299792458-ю долю секунды. А собственно секунда - это время, за которое атом цезия совершает 9192631770 колебаний.

Мало того, что эти единицы определены с подобающей квантовой точностью, они ещё могут быть адекватно воспроизведены в любой точке мира. Клонировать килограмм куда сложнее, вдобавок для этого требуется сложная бюрократическая процедура.

Видимо, долгое время такое уникальное положение килограмма всех устраивало, раз не было достаточных побудительных оснований к созданию его скрупулёзной формулы.

Но переменчивый килограмм тянет за собой в дрейфующее плавание и Ватт, и другие смежные единицы измерения.

А в изменчивости килограмма не осталось никаких сомнений, несмотря на все меры предосторожности: эталон хранится под тремя герметичными стеклянными колпаками в сейфе охраняемого замка в окрестностях Парижа, а ключи от сейфа имеют лишь три особо приближенных бюрократа из Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures — BIPM).

Килограмм и 6 его приспешников хранятся в постоянно запертом сейфе (фото bipm.org).

Вместе с главным килограммом в сейфе располагаются 6 преемников, а всего за время правления по его образу и подобию было изготовлено более 80 копий.

Для освидетельствования престарелого килограмма, происходящего раз в год, он торжественно извлекается из своего хранилища. И каждый раз обнаруживается микроскопическое уменьшение веса.

Килограмм чахнет. Об этом ясно говорят сравнения с другими обитателями сейфа. Природа болезни загадочна, но все симптомы налицо: за сто лет килограмм теряет около 0,00000003-й части своей драгоценной массы.

А ведь даже похудение всего на 50 микрограмм (меньше веса соляной крупинки) может серьёзно исказить результаты сложных научных вычислений. Не вызывает сомнений необходимость замены уникального килограмма на абстрактный килограмм.

Международная команда исследователей из Германии, Австралии, Италии и Японии под эгидой Немецкой лаборатории стандартов (German standards laboratory) хочет переопределить килограмм как массу определённого числа атомов. В лаборатории сделан совершенно круглый килограммовый шар из чистого кристаллического кремния.

Если точно известно, какие атомы составляют кристалл и на каком расстоянии они находятся друг от друга, то, измерив размер шара, можно вычислить число атомов кремния, его составляющих. Это число и будет определением килограмма.

Для производства шара необходимо было получить изотоп кремния очень высокой степени очистки. Помощь в этом начинании оказала Россия - на старых, ещё советских ядерных оружейных фабриках имеются центрифуги, использовавшиеся для выработки высокообогащённого урана.

Возможно, этот кремниевый шар станет новым килограммом. Но только в виде числа составляющих его атомов (фото nytimes.com).

Полученный шар потребовалось измерить на «круглость». Кристалл был педантично замерен в полумиллионе точек. Вывод: шар - самое круглое творение рук человеческих. Если увеличить шар до размеров Земли, высота Эвереста составит всего четыре метра.

Интригующая особенность шара: совершенно невозможно на глаз определить, покоится он или вращается. Только если на поверхность упадёт пылинка, взгляду будет за что зацепиться.

Хотя число атомов кремния, составляющих уникальный объект, ещё не подсчитано, методика уже вызывает критику из другого лагеря, сплотившего учёных из США, Англии, Франции и Швейцарии.

По их мнению, с сегодняшними технологиями невозможно точно сосчитать число атомов, поэтому килограмм легче и надёжнее вычислить, используя электрическое напряжение. Измерение энергии, дескать, проще подсчёта атомов. Может и проще, но только не на словах.

В работе используется сложный механизм, называемый балансом Ватта. В основу методики положена эквивалентность механической и электрической мощности.

Следует создать электромагнитное поле, поместить в него эталонный килограмм, и замерить параметры эксперимента. Поскольку гравитационное поле постоянно и детерминировано местоположением трёхэтажной установки, через эталонный килограмм можно связать значения механических и электрических величин.

Правда, надо ещё учесть приливно-отливные воздействия, а прочие проявления внешней среды можно исключить, поместив установку в глубокий вакуум.

Кремниевая сфера, созданная в Австралийской Национальной лаборатории измерений (Australias National Measurement Laboratory — NML).

Измерив значения длины, времени, электрического тока и сопротивления (а все они могут быть вычислены на основе фундаментальных и инвариантных квантовых явлений) можно квантовым же способом оцифровать и основную единицу - килограмм. Подобным образом была уже определена масса электрона.

О точности изощрённого и окольного способа вычисления килограмма говорить пока рано, учёные поглощены устранением колебаний напряжения в электрических цепях. Однако они уверены, что победа будет за ними, а не за конструкторами кремниевых шаров.

По информации New York Times, секция массы BIMP - инстанция, в конечном счёте, определяющая судьбу килограмма - склоняется к последнему подходу, но сделать окончательный выбор пока что очень сложно. Но выбирать хотят между этим двумя, хотя существуют и другие варианты.

Например, как и всё в нашем мире купли-продажи, пресловутый килограмм может иметь точное ценовое выражение.

Для его исчисления надо узнать количество атомов в килограмме чистого золота. По сегодняшним прикидкам, в таком числе должно быть порядка 25 цифр, но ничего более определённого сказать о нём нельзя.