Мир сверхточных измерений: что такое эталоны основных величин и зачем они нужны?

В прошлом году во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева появился сложнейший аппарат, который вывел нашу страну на новый уровень в точности определения килограмма. По мнению ученых, подобный компаратор массы позволит добиться не только независимости от других стран в области измерений, но и поспособствует развитию в других сферах, например, в приборостроении. Корреспондент Города+ отправился в «колыбель» отечественной метрологии и узнал, чем ученых не устроила «старая версия» килограмма, как эти изменения могут коснуться повседневной жизни горожан и зачем городу нужен специализированный технопарк.

---

Мы часто не замечаем, но самые разные меры и величины сопровождают нас постоянно - в течение всего дня и ночи. Эксперты даже считают, что получение любой информации (визуальной, аудио или в виде текста) является своего рода измерением. Ведь когда мы различаем какие-то слова, символы или образы, то сравниваем их с определенными понятиями, которые изначально заложены у нас в голове (например, это могут быть метры, килограммы, литры, вольты). В этой связи важность науки, которая изучает эти самые измерения, становится очевидной. 

В ВНИИМ им. Д.И. Менделеева специалисты преследуют сразу несколько задач. Во-первых, активная деятельность ведется по обеспечению единства всех измерений. «Без единства невозможно организовать торговлю. Ведь когда вы приходите в магазин, то хотите, чтобы упаковка, на которой написано «один килограмм» содержала ровно килограмм. Также невозможно без единства собрать автомобиль. Представьте, что в машине десятки тысяч деталей, производимых на предприятиях в разных концах мира. Все детали должны быть сделаны по единым размерам. То же самое можно сказать об электрической энергии - в каждой розетки напряжение и частота должны быть точно определены и установлены. Это нужно для того, чтобы миллионы электрических приборов работали правильно», - рассказал директор института Кирилл Гоголинский. Во-вторых, уделяется большое внимание созданию и совершенствованию измерительных технологий, необходимых для развития промышленности и, как следствие, роста экономики. «Это важный инструмент для улучшения качества производимой продукции, обеспечения работы транспортных систем, систем связи. Это также серьезная составляющая для обеспечения обороноспособности страны», - добавил руководитель Агентства по техническому регулированию и метрологии Алексей Абрамов. 

Сегодня Россия находится в первой пятерке стран, которые активно продвигают метрологию в своей деятельности. В одном только ВНИИМ им. Д.И. Менделеева находится четыре из семи эталонов основных величин международной системы СИ  - это метр, килограмм, ампер и кельвин. Кроме того, здесь хранятся и совершенствуются 54 первичных образца измерений из 165, имеющихся в России. Интересно, что ранее первичные эталоны основных величин были привязаны к природным объектам или явлениям. Современный уровень развития науки и промышленности стал требовать от человечества более точных измерений. По этой причине научное сообщество решило перейти на квантовые эффекты. Этот переход рукотворных эталонов к квантовым величинам, которые отличаются абсолютной точностью, завершится уже в 2018 году. «Те артефакты, которые использовались раньше, со временем утрачивают свои метрологические характеристики – в итоге происходит старение и потеря их изначальных свойств», - поясняет необходимость Алексей Абрамов.

Что не так с килограммом? 

Оказывается, масса – это последняя мера из основных единиц СИ, которая осталась в виде артефакта. Иными словами, она сохранилась в виде первичного рукотворного эталона – то есть гири, оригинал которой находится во Франции, в Международном бюро меры весов. Сегодня ее точные копии находятся во всех метрологических институтах мира и являются государственными первичными эталонами. В Северной столице подобный слиток платины и иридия хранят с 1892 года в здании, где раньше жил сам Дмитрий Иванович Менделеев.  «Этим гирям уже больше ста лет. Но, несмотря на то, что они сделаны из абсолютно инертного сплава, все равно происходит окисление, а также есть риск утраты объекта при несчастных случаях. И на самом деле ситуация такова, что если украсть первичный килограмм под Парижем, то весь мир потеряет данную единицу», - рассказывает директор ВНИИМ им. Д.И. Менделеева Кирилл Гоголинский. По его словам, с течением времени оригинальные артефакты теряют в весе. Французский килограмм, например, уже успел «похудеть» на сорок микрограмм. Его копии, которые разлетелись по всему миру, понятное дело, также не застрахованы от потери веса. Это создает проблему точности измерений и проблему сохранения и воспроизведения самого килограмма. «Поэтому мировое метрологическое сообщество приняло решение на ряду с другими основными единицами переопределить на основе фундаментальных базовых констант килограмм. Ученые ничего лучше не придумали, как изготовить вместо одной гири – другую, а именно кремниевый шар. Состоит он из идеальной кремниевой структуры, в которой содержится счетное количество атомов. То есть если мы будем знать точное количество атомов, из которых состоит эта сфера, то мы можем четко определить, из скольких атомов кремния весит килограмм», - отмечает директор учреждения.  

Но мало изготовить сам кремниевый шар, его еще нужно распространить. Для того, чтобы это сделать, как раз и нужен специальный и очень сложный прибор, который называется компаратор массы. Хотя внешне он и смахивает на стиральную машину, стоимость аппарата весьма значительная - миллион евро. Он может сравнить эталонную гирю с рабочим вариантом (по факту - другой гирей) на атомном уровне. Если образно себе представить суть изобретения, то получается, что это суперсовременные весы, работающие в условиях высокого вакуума. Этот аппарат - первый в России, всего в мире их не больше десяти. По первым результатам ВНИИМ точность передачи единицы массы благодаря компаратору массы повысилась в десять раз (как в вакууме, так и в условиях атмосферного воздуха). Теперь кремниевые сферы считают будущими прототипом эталона килограмма. Кстати, по словам хранителя эталона массы, он лежит в сейфе и достается крайне редко (раз в пять лет). Чтобы открыть хранилище, используются три ключа (они находятся в разных местах). Для этого созывается специальная комиссия. 

Помимо эталона килограмма, во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева находится также эталон единицы температуры – кельвин. Основная его особенность заключается в том, что он на семьдесят процентов состоит  из приборов и деталей, произведенных в России. Само по себе данное устройство – сложнейшие тепловые излучатели, оптические приборы. Также здесь хранится квантовый эталон вольта. Это единственный в мире транспортируемый эталон. С помощью него были произведены международные свечения (пока первые в мире), где наша страна показала хорошие результаты. «Эталон вольта представляет из себя, по сути, микросхему, которая помещается в жидкий гелий. И при определенных условиях эта микросхема обеспечивает точно известные значения вольта. Таким образом, происходит воспроизведение основной единицы», - поясняет Кирилл Гоголинский. 

Зачем нужен технопарк «Ломоносов»?

В течение следующих пяти лет (до 2022 года) на базе ВНИИМ им. Д.И. Менделеева планируют создать специализированный технопарк «Ломоносов». Несложно догадаться, что находиться он будет в одноименном городе на месте метрологической инфраструктуры института, которая была создана еще в советские годы.  Общая площадь территории там составляет более 35 гектар. «Есть уже конкретные резиденты, которые изъявили желание разместить производство на этих площадках (порядка пяти компаний). И есть направления, по которым мы хотели развивать это приборостроение. Прежде всего – производство автоматизированных измерительных систем экологического мониторинга, медицинские приборы, приборы для использования в газовой промышленности, нефтехимии и для механических измерений», - комментирует руководитель Агентства по техническому регулированию и метрологии Алексей Абрамов. Для создания технопарка необходимо произвести масштабную реконструкцию пустующих площадей (это около 40 процентов от общего объема). Стоимость проекта оценивается в 9,1 млрд рублей. Одновременно с ремонтом планируют запустить процесс по проектированию зданий.