Mokslininkai džiūgauja – išspręstas kilogramo vertės klausimas

Panašu, kad galų gale tikslas pasiektas: nustatytas pakankamas duomenų, pagrįstų matematinėmis konstantomis, tikslumas, kad etaloninis kilogramas galėtų keliauti į muziejų.

Proveržis įvyko pačiu laiku prieš įvykdant platesnio masto vienetų (ampero, kelvino ir kitų) patikslinimą – numatyta tai atlikti 2018 metais. O fizinio kilogramo etalono keitimo skaičiumi procedūrą šią savaitę Paryžiuje aptarė Tarptautinis svarsčių ir matų komitetas (CIMP).

„Jaudinantis laikas. Tai yra intensyvių, visame pasaulyje ilgai trukusių pastangų kulminacija“, – sakė JAV Nacionalinio standartų ir technologijų instituto fizikas Dave'as Newellas.

Kilogramas – tai vienintelis SI vienetų sistemos matas, kuris iki šiol yra pagrįstas fiziniu etalonu. Nors dar aštuntame praėjusio amžiaus dešimtmetyje buvo aprašytas būdas, kaip kilogramą galima paversti visiškai nekintamu dydžiu taikant matematines konstantas, mokslininkų grupės, taikančios du visiškai skirtingus skaičiavimo metodus tik per pastaruosius metus sugebėjo pasiekti pakankamą matavimų tikslumą, kad suderintų savo rezultatus ir pateiktų pakankamai gerą alternatyvą fiziniam etalonui.

Fizinio etalono pakeitimas matematine formule kilogramo dydžio nepakeis. Tačiau ateityje kilogramo dydis bus mažiau kintamas. Mat fizinis etalonas bėgant laikui gali prarasti ar prisijungti vieną-kitą atomą, o konstantos nuo laiko tėkmės nėra priklausomos.

Be to, masės etalonas, apibrėžiamas konstantomis, bent jau teoriškai turėtų būti prieinamas bet kam planetoje, o ne tik tiems, kuriems patikėta galimybė patekti į saugyklą Prancūzijoje, sakė Prancūzijos Tarptautinio svorių ir matų biuro buvęs vadovas Richardas Davisas.

2011 metais CIMP formaliai sutiko kilogramo sąvoką pakeisti iš apibrėžiamos pagal fizinį etaloną į apskaičiuojamą pagal Plancko konstantą, siejančią dalelės energiją su jos dažniu, o per Alberto Einsteino garsiąją formulę E=mc2 – ir su mase. Tai reiškia, kad pirma reikia eksperimentiškai, naudojant dabartinę kilogramo etalono masę, nustatyti itin tikslią Plancko konstantos vertę, o paskui pasinaudojant šia konstanta nusakyti kilogramo masę skaičiavimo būdu.

CIMP masės komitetas rekomendavo, kad norint atlikti fizinio etalono keitimą į matematinį, reikėtų, kad sutaptų trys Plancko konstantos skaičiavimo rezultatai, iš kurių du būtų apskaičiuoti skirtingais metodais. Vieno metodo sumanytojai yra tarptautinė mokslininkų grupė, vykdanti vadinamąjį Avogadro projektą.

Šio projekto vykdytojai skaičiavo atomus dviejose vien tik iš silicio-28 sudarytose sferose, kurių svoris yra tiksliai toks, kaip ir etaloninio kilogramo. Pagal gautą atomų kiekį jie išskaičiavo patikslintą Avogadro konstantą, kurią konvertavo į Plancko konstantą. Kito metodo šalininkai Plancko konstantos vertę gavo vadinamosiomis Vato svarstyklėmis sverdami svarmenį, kurio masė buvo kalibruojama pagal elektromagnetinę jėgą ir etaloninį kilogramą.

Rezultatų suderinimas užtruko ganėtinai ilgai. 2011 metų pradžioje kai kurie mokslininkai nusprendė, kad protingiausia būtų taikyti dviem skirtingais matavimo būdais gautų rezultatų vidurkinimą. „Manau, visiems metrologams kilo susirūpinimas: o kas jei tie rezultatai bus tolimi vienas nuo kito?“, – sakė R. Davisas. Bet per trejus intensyvaus darbo metus gautas rezultatas, tenkinęs net ir priekabiausius metrologus.

Pirmasis pažangos ženklas buvo pasiektas tada, kai Otavos (Kanada) matavimų mokslo ir standartų laboratorijos specialistai nusipirko ir suderino Watto svarstykles, pagamintas Jungtinės Karalystės Nacionalinėje fizikos laboratorijoje.

Kanadiečiai, įvertinę kai kurias prognozuotas, tačiau iki tol nevertintas sistemines klaidas, 2012 metų sausį publikavo savo tyrimų rezultatą, kuris artėjo prie Avogadro projekto silicio sferos atomų skaičiavimo rezultato. Bet trečioji kilogramo masę skaičiavusioji grupė – JAV Nacionalinis standartų ir technologijų institutas NIST – pakankamai tikslaus rezultato dar neturėjo.

Šis institutas konstantų reikšmes, pavyzdžiui, Plancko konstantos, atnaujina kas ketverius metus, įvertindamas geriausias ligtolinių matavimo eksperimentų rezultatus.

„Pasikvietėme visiškai naują mokslininkų komandą, patikrinome kiekvieną matavimo sistemos komponentą“, – sakė D. Newellas. Nepaisant visų pastangų, jų rezultatas „iškrito iš konteksto“. Tačiau 2014 metų pabaigoje NIST mokslininkai sugebėjo pasiekti suderinamumą su kitais dviem, kurie per tą laiką savo santykinę paklaidą sumažino iki reikalaujamo lygio.

2015 metų rugpjūtį, kai Tarptautinės mokslo tarybos Mokslo ir technologijų duomenų komitetas (CODATA) publikavo naujausią Plancko konstantos vertę, santykinė paklaida buvo 12/1 000 000 000. Arba vos didesnė nei ketvirtis ankstesnės CODATA nurodytos konstantos paklaidos. Ši vertė pilnai atitiko CIMP reikalavimus.

Tiesa, dar yra erdvės tiksliai kilogramo vertei „sugadinti“: visos matavimus atliekančios grupės iki 2017 metų liepos 1 dienos gali publikuoti savo tyrimų rezultatus ir tik tada bus „fiksuojama“ Plancko konstantos vertė. Iki to laiko ketinama išanalizuoti naują silicio-28 sferų siuntą iš Rusijos – tikimasi, kad šie rezultatai gali dar labiau patikslinti Plancko konstantą, tačiau negalima atmesti tikimybės, kad skirtingų grupių pateikiamos konstantos reikšmės vėl išsiskirs.

„Tada kiltų sunkumų. Bet esu tikras, kad taip nenutiks“, – sakė Avogadro projektą koordinuojančio Vokietijos nacionalinio metrologijos instituto prezidentas Joachimas Ullrichas. Ir jeigu galų gale visų trijų matuotojų grupių rezultatai bus pakankamai panašūs, 2018 metais „Le Grand K“ atsidurs muziejuje, šalia metro etalono.

„Mes jį išaugosime. Tačiau jis jokių reikšmių nebelems“, – sakė R. Davisas.