Метрология: проблемы и решения / Британский автомобиль-амфибия «Aquada»
Через 4 дня в Международном бюро мер и весов, расположенном в Севре близ Парижа, в очередной раз состоится традиционная процедура, повторяющаяся здесь ежегодно в последнюю пятницу сентября: двойные бронированные двери, ведущие в специальную подземную камеру, раскроются, и трое ответственных чиновников – председатель Международного комитета мер и весов, директор Международного бюро мер и весов и главный архивариус Франции – совместно отопрут сейф и произведут осмотр хранящихся в нём двух бесценных эталонов: единицы длины – метра – и единицы массы – килограмма. По результатам этой инспекции чиновники составят протокол, после чего сейф и камера будут снова заперты – до последней пятницы сентября следующего года.
Международное бюро мер и весов в Севре было образовано в 1875-м году. Его нынешний директор Терри Куинн (Terry Quinn) рассказывает:
Раньше люди обращались с единицами измерения весьма вольно. Ещё и в 19-м веке каждая страна, а кое-где даже каждый регион, каждое княжество имели собственные меры массы и длины. Однако во второй половине 19-го столетия развитие международной торговли потребовало создания единой системы мер и весов. В 1875-м году представители 17-ти государств подписали в Париже Метрическую конвенцию и учредили на её основе Международное бюро мер и весов.
В качестве единицы длины было взято определение метра, принятое во Франции ещё в 1792-м году: одна десятимиллионная часть четверти длины парижского меридиана. Размер метра был вычислен на основе результатов геодезических и астрономических измерений Жана Батиста Деламбра и Пьера Франсуа Мешена, определивших длину дуги Парижского меридиана от Дюнкерка до Барселоны. Тогда же был изготовлен и первый эталон метра – так называемый «архивный метр» – в виде линейки из платиново-иридиевого сплава шириной около 25-ти миллиметров и толщиной около 4-х миллиметров. Но вскоре выяснилось, что определённый таким образом метр не может быть точно воспроизведён из-за значительных погрешностей геодезических измерений, поэтому государства Метрической конвенции решили отказаться от «естественных» эталонов длины и приняли архивный метр в качестве исходной меры длины. Вместе с эталоном метра в Севрском подземелье хранится и эталон килограмма – исходной меры массы.
Килограмм по-прежнему привязан к хранящемуся у нас платино-иридиевому эталону. Он представляет собой небольшую гирю цилиндрической формы – 39 миллиметров в высоту и 39 миллиметров в диаметре. Гиря изготовлена из сплава, состоящего на 90 процентов из платины и на 10 процентов из иридия.
Масса гири согласно определению килограмма равна массе одного кубического дециметра чистой воды при температуре её наибольшей плотности, то есть при 4-х градусах Цельсия. Казалось бы, всё просто. Но это не так, – говорит Терри Куинн:
Проблема в том, что с течением времени эталоны не остаются неизменными. Их свойства зависят от атмосферного давления и влажности воздуха, на их поверхностях появляется пыль и грязь, а кроме того, претерпевает изменения и сам сплав.
Наконец, метрологи вечно боялись, что эталоны могут быть похищены или повреждены в результате стихийного бедствия. Поэтому было решено дать основным единицам новые определения, привязав их к универсальным физическим константам – неизменным величинам вроде скорости света. Терри Куинн говорит:
Сегодня метр давно уже определяется без ссылки на архивный эталон. Сначала – в 1960-м году – за метр приняли длину, равную 1650763,73 длины световой волны, излучаемой в вакууме атомом криптона-86 при переходе между двумя строго определёнными энергетическими уровнями. А с 1983-го года метр определяется как длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.
Сегодня и все прочие основные единицы привязаны к физическим константам. Все, кроме одной, – говорит Терри Куинн:
Единственное исключение – хранящийся у нас эталон килограмма. Все другие единицы – длины, времени, силы электрического тока – определяются через физические постоянные, и только килограмм по-прежнему привязан к нашему эталону.
Метрологи давно уже пытаются найти замену этому реликту. Особенно после потрясения, пережитого ими в 1990-м году. Дело в том, что уже в 1889-м году с эталона килограмма были изготовлены 42 копии, служащие с тех пор в странах-членах Метрической конвенции государственными первичными эталонами массы. Удостовериться в том, что эти копии спустя десятилетия всё ещё точно соответствуют прототипу, можно было лишь одним способом: доставить их в Париж и сравнить с эталоном. Это было проделано дважды – в 1950-м и в 1990-м годах. В ходе этого последнего сравнения метрологи пережили настоящий шок, – рассказывает Арнольд Николаус (Arnold Nicolaus), сотрудник Федерального физико-технического ведомства в Брауншвейге:
Было установлено, что для всех копий эталона изначальные отклонения в массе увеличились за минувшие сто лет примерно на 50 микрограммов. А ведь это величина, которую ни на какие погрешности измерения не спишешь. Как такое могло случиться – совершенно непонятно. Ясно лишь, что все копии вдруг разом потяжелеть не могли, так что дело, видимо, в том, что легче стал парижский эталон. Но никаких физических объяснений этому феномену пока нет.
Как бы там ни было, доверие к платино-иридиевой гире оказалось безнадёжно подорванным. А потому сегодня метрологи активно работают над созданием нового эталона килограмма, основанного на физических явлениях и константах. Но при этом учёные идут различными путями. Все усилия Арнольда Николауса, в частности, сконцентрированы на состоящем из кремния шаре размером с теннисный мяч и массой в 1 килограмм. Это, пожалуй, самый круглый шар в мире: австралийские специалисты шлифовали и полировали его больше года. Арнольд Николаус поясняет:
Достаточно назвать наиболее показательные параметры: отклонения от идеальной сферической формы не превышают 30-ти нанометров, что примерно соответствует одной тысячной доле диаметра человеческого волоса. Если соотнести эту ничтожную неровность с диаметром шара, то в пересчёте на масштабы Земли это означало бы, что самая высокая гора на планете была бы не выше 2-х метров.
Сложная вакуумная аппаратура, разработанная Арнольдом Николаусом, должна с максимальной точностью измерить диаметр, а тем самым и объём кремниевого шара. Идея учёного состоит в том, чтобы вычислить количество атомов кремния в шаре и определить килограмм как их суммарную массу. Понятно, что подсчёт количества атомов – а оно будет выражаться 25-значным числом – невозможен без использования особых приёмов. Николаус говорит:
Мы применяем «метод стеклопосудной тары». Представьте себе, что у вас весь склад забит ящиками с бутылками. Вы же не станете пересчитывать их по одной. Быстрее и эффективнее перемножить ширину штабеля на его длину на высоту, найти общее количество ящиков и умножить его на число бутылок в одном ящике.
Брауншвейгский учёный использует особенности кристаллической структуры кремния, позволяющие подсчитывать атомы по тому же принципу, что и бутылки:
Мы уже произвели первые измерения с тремя различными кремниевыми шарами.
Однако для того, чтобы дать новое определение килограмма, точность метода пока недостаточна: она должна быть повышена примерно втрое. Исследователь намерен в самое ближайшее время начать новую серию измерений, используя шар, состоящий исключительно из атомов изотопа кремний-28, полученных на одном из российских ускорителей.
Коллега Николауса по Федеральному физико-техническому ведомству – Михаэль Глезер (Michael Gläser) – пытается достичь той же цели несколько иным путём. Он работает не с атомами кремния, а с ионами висмута:
Мы создаём в вакууме пучок ионов, то есть электрически заряженных атомов. Эти ионы мы намерены собрать в контейнере – так называемом коллекторе – и там взвесить. Кроме того, мы должны знать количество собранных ионов.
Пучок ионов означает электрический ток, и его силу можно точно измерить, а это, в свою очередь, позволяет определить, сколько ионов оказалось в ловушке.
Это вакуумная аппаратура. Размеры – 4 метра в длину и 2 в ширину. Пучок ионов образуется за счёт того, что мы создаём между источником ионов и коллектором высокое напряжение.
Коллектор представляет собой контейнер цилиндрической формы с небольшим отверстием для приёма ионов. Коллектор не только ловит ионы, но и измеряет силу создаваемого ими тока.
Следующий шаг – прецизионное измерение массы собранных ионов. Для этого существуют специальные высокоточные весы – погрешность не превышает одной десятой микрограмма.
Чтобы обеспечить необходимую точность измерения, учёным нужно собрать в коллекторе не менее 10-ти граммов ионов. Для этого установка должна будет работать непрерывно 6 суток. Но обрудование пока не готово, так что все опыты носят предварительный характер.
Предположительно в будущем году мы поставим новый эксперимент с другим коллектором. Я надеюсь, что при этом нам удастся повысить точность на 2-3 порядка и тем самым снизить погрешность до 10-ти в минус пятой степени. Но наша конечная цель – 10 в минус 8-й степени, то есть погрешность не более одной стомиллионной. На это уйдёт ещё несколько лет.
Вольфганг Швитц (Wolfgang Schwitz), директор Швейцарского института метрологии в Берне, возлагает свои надежды на другой метод определения килограмма – электрический. Необходимый для этого высокопрецизионный аппарат учёный называет ватт-весами, имея в виду единицу мощности.
Ватт-весы базируются в принципе на компенсации килограмма электрическими величинами. То есть они призваны уравновесить действие килограммовой гири действием катушки, через которую пропущен электрический ток. Состояние равновесия и означает эквивалентность.
Преимущество этого метода в том, что электрические величины могут быть измерены с чрезвычайно высокой точностью. А кроме того, они привязаны к универсальным физическим константам. Вольфганг Швитц говорит:
Исходя из постоянной Планка и из массы электрона, мы можем генерировать исключительно точные электрические напряжения и сопротивления. Это позволяет обеспечивать силу тока строго определённой величины. Пропуская этот ток через нормированную катушку, мы получаем механическую силу, которая и призвана компенсировать действие лежащей на весах массы.
Принцип прост, но тем труднее его практическая реализация. Пока же ватт-весы в Берне не способны обеспечить точность, достаточную для замены платино-иридиевого эталона килограмма его электрическим эквивалентом. С теми же трудностями сталкиваются и разработчики аналогичных систем в США и Великобритании.
А уж предсказать, какой из трёх конкурирующих методов победит, и вовсе не может пока никто.
Автомобильная рубрика
В начале сентября изумлённые жители Лондона наблюдали за тем, как по Темзе на очень приличной скорости разъезжает... автомобиль. Всё объяснялось просто: британская конструкторская компания «Gibbs Technologies», завершив работы по созданию автомобиля-амфибии, проводила на реке его испытания. Новинка получила имя «Aquada» (от Aqua— вода), а на её разработку было потрачено почти семь лет. По словам главного конструктора автомобиля Алана Гиббса (Alan Gibbs), столь длительный срок объясняется сложностью технических решений, а также тем, что предыдущие версии амфибии плохо умели «вылезать на сушу». Сейчас эта проблема полностью решена. Чтобы сойти в воду, новой машине нужен небольшой пологий спуск, хотя на пляже, например, она может въехать прямо в море – без дополнительных приспособлений. Уникальность разработки состоит в том, что конструкторам удалось совместить в одном транспортном средстве довольно быстроходный легковой автомобиль и небольшой катер. В основе автомобиля – пространственный алюминиевый каркас, кузов изготовлен из композитных материалов. «Aquada» приводится в движение 2,5-литровым, 175-сильным мотором и обладает исключительно высокими для своего класса скоростными характеристиками. На суше она может передвигаться со скоростью 170 километров в час, а по воде – 50 километров в час – этого вполне достаточно, чтобы с ветерком прокатить человека на водных лыжах. Переход из водного в сухопутный режим и обратно осуществляется за 10 секунд одним нажатием кнопки, а за тем, чтобы колёса вдруг самопроизвольно не сложились на автотрассе, следят специальные сенсоры, контролирующие электромагнитные замки. Одной заправки бака автомобилю хватает на то, чтобы проехать 480 километров по суше и 80 – по воде. Корпус «Aquada» имеет абсолютную защиту от протечек, а конструкция машины не предусматривает наличие дверей. От их применения отказались в угоду герметичности салона. Так что вход и выход осуществляется непосредственно через борт, как в лодке. «Aquada» рассчитана на трёх человек. Сиденья расположены нетрадиционно – водитель сидит в середине автомобиля, а пассажиры – чуть сзади по бокам от него. Нет и жёсткой крыши, на случай непогоды предусмотрен лишь мягкий складной тент.
Британский автомобиль-амфибия появится в продаже уже в этом году. За 235 тысяч долларов – именно такова цена на этот автомобиль – каждый сможет почувствовать себя Джеймсом Бондом. Ведь именно Темза была ареной гонки на высокоскоростных катерах в одном из фильмов про агента 007. Несмотря на высокую стоимость, создатели уверены, что покупатели найдутся. До конца нынешнего года предполагается продать примерно сто автомобилей-амфибий «Aquada». Компания-производитель считает своё изделие идеально пригодным не только для увеселительных прогулок, но и для «службы», скажем, в полиции, береговой или пожарной охране и даже в такси. Бесспорным преимуществом новинки является то, что она может передвигаться по реке, свободной от пробок и ограничений скорости.