В парижском предместье Севр, в подземном хранилище Международного бюро мер и весов, в вакууме под тремя стеклянными колпаками хранится платиноиридиевая гиря в виде цилиндра диаметром и высотой 39 мм: это международный эталон единицы массы — килограмма. И замечателен он тем, что представляет собой единственную из современных единиц измерения, базирующуюся ни физическом объекте.
Все прочие метрические единицы системы SI давно абстрагировались от грубой материи. К примеру, эталон метра, бывший ранее обыкновенным металлическим стержнем, ныне определяется как расстояние, которое покрывает луч света за 1/299792458 долю секунды. Ну а сама секунда — не что иное, как продолжительность 9 192 631 770 периодических колебаний световой волны, испускаемой атомом цезия-133 при изменении энергетического состояния.
Физическая константа, понятно, и в Африке константа, чего никак нельзя сказать о физических объектах, каковым по штату положено быть идентичными. На нынешний день в мире наличествует ровно 80 дубликатов севрского килограмма, и все эти копии раз в 10 лет доставляют в Париж для тщательной сверки с оригиналом и последующей калибровки, если та окажется необходимой. Как показала практика, вполне достаточно отпечатка пальца на полированной поверхности цилиндра или даже осевших водяных паров, чтобы реальный вес платиноиридиевой гири отклонился от эталонного!
Словом, на фоне всех прочих метрических единиц килограмм удручающе ненадежен… И все же о новом эталоне массы, основанном на неизменных свойствах атомов, совсем недавно говорили лишь в сослагательном наклонении.
Гром грянул несколько лет назад, когда очередная плановая сверка дала обескураживающий результат: ни один из 80 дубликатов по весу не совпал с оригиналом! Специалисты пришли к печальному выводу, что сам севрский килограмм, существующий уже более ста лет, утратил свою непогрешимую эталонность… А это уже весьма серьезная беда, так как в самых различных областях человеческой деятельности — от научных лабораторий до фармацевтических фабрик и космической индустрии — зачастую требуется определить массу объекта с точностью до двенадцатой, а то и пятнадцатой цифры после запятой.
Короче говоря, человечеству позарез необходим надежный эталон единицы массы! И в данном качестве предлагаются принципиально новые артефакты, широко известные в узких метрологических кругах как Ахимовы шары.
Ахимом, да будет вам известно, зовут многоопытного инженера-исследователя Лейстнера, а вышеупомянутые шары представляют собой прецизионно точные сферы, изготовленные из монокристалла кремния.
От всех иных материалов темно-серые, отливающие металлическим блеском кристаллы кремния отличаются чрезвычайно упорядоченной атомной структурой. Иными словами, в кристаллической решетке, образованной атомами элемента под номером 14, удивительно мало дефектов, почему, собственно, в компьютерах и применяют силиконовые чипы.
Плотность этих кристаллов, понятно, вполне единообразна (2,33 г/куб. см.), так что в принципе несложно вычислить диаметр идеальной силиконовой сферы весом ровнехонько в 1 кг. А также подсчитать количество содержащихся в ней атомов: 1026!
Ну вот. Мы, таким образом и поставили знак равенства между 1 кг и массой 1026 атомов кремния. Выходит, остается только выточить восемь десятков идентичных силиконовых шаров — и дело в шляпе?
В принципе оно, конечно, так, а вот на практике…
Как ни крути, новаторский эталон — тоже материальный объект, каковой всегда изготовляется с определенной степенью точности. Специалисты подсчитали допустимое отклонение от идеала: плюс-минус 10 атомов на миллиард (109)! При этом, в самом худшем случае, различие между двумя сферами не превысит 60 атомов, массой коих можно спокойно пренебречь. Таким образом, диаметру Ахимова шара, призванного свергнуть с трона занедуживший севрский килограмм, дозволено отклониться от расчетной цифры от силы на 60 нм. То есть расстояние между центром эталонной сферы и любой точкой ее поверхности варьируется менее чем на 30 миллионных долей миллиметра!
И теперь, я полагаю, самое время сообщить, что никакому станку, управляемому компьютером, никогда и никоим образом не удастся достичь требуемой точности. Но Человеческие руки, как оказалось, вполне способны справиться с этой задачей! Конечно, не всякие.
Собственно говоря, на данный момент такое могут сотворить лишь руки Ахима Лейстнера.
«Никаких секретов, — охотно объясняет маститый инженер-оптик. — Я полирую шары вручную, применяя классические приемы старых мастеров, и руководствуюсь исключительно тем особым чувством, что дают только долгие годы практического опыта… Сомневаюсь, чтобы подобной интуицией когда-либо удастся снабдить механическое устройство».
Молодой Лейстнер обучался мастерству обработки стекла на предприятии Carl Zeiss Jena, но в 1961-м, когда была возведена Берлинская стена, эмигрировал в ФРГ и вскоре получил работу по специальности, занявшись изготовлением прецизионных линз и зеркал для австралийского ракетного проекта. За истекшие годы талант инженера-оптика развился до того, что тот, по его собственным словам, буквально ощущает «слои атомов, снимаемые с заготовки».
И это отнюдь не хвастовство: уже готова целая дюжина эталонных шаров, полностью соответствующих вышеописанным требованиям!
Процесс изготовления эталона начинается с силиконового цилиндра размером 100x100 мм, который машинным способом обдирают до грубой сферы; вес ее превышает 1 кг не более чем на 50 мкг. Эти сферические заготовки поставляет Лейстнеру его официальный наниматель — австралийская исследовательская организация CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation).
Далее же все в руках мастера…
«С самого первого момента необходимо жестко контролировать каждое свое движение, — говорит он. — Пути назад просто не существует! Я не могу Заполировать случайную царапину, не нарушив требуемых параметров сферы».
На калибровку одного шара у Ахима уходит несколько месяцев. Готовый продукт он отправляет на проверку в одну из трех сотрудничающих с CSIRO измерительных лабораторий, где разрабатываются оптимальные методы подсчета атомов в силиконовой сфере.
Эти же лаборатории (в Японии, Италии и Германии) сохраняют в стерильных условиях дюжину Ахимовых шаров, признанных эталонными.
Хотя искусство Лейстнера совершенно уникально, сам он полагает, что многие мастера могли бы достичь не худших результатов, кабы современный человек не привык во всем полагаться на машины.
У ручного труда, однако, есть характерная особенность, запечатленная народной мудростью в многочисленных изречениях типа «быстро хорошо не бывает», «поспешишь — людей насмешишь» и т. д. Это мы к тому, что на изготовление остальных 68 Ахимовых шаров понадобится…
Впрочем, конкретного срока не назовет ни Ахим, ни сам господь бог, по оптимистическим же прикидкам работа эта займет никак не менее десятка с хвостиком лет. К тому же уникальные руки Лейстнера позарез необходимы и новому американскому космическому проекту LIGO, на который National Science Foundation уже отпустила 300 млн. «зеленых»: это первая в истории науки попытка сконструировать и вывести в ближний космос специальный астрофизический инструмент для улавливания гравитационных волн!
Для будущей laser Interferometer Gravitational Wave Observatory необходимо изготовить 32 зеркала 25 см в диаметре и 10 см толщиной, и притом по классу точности, превышающему нынешние достижения оптиков. Если у Лейстнера все получится как надо, обсерватория UGO с помощью своего лазерного интерферометра уловит и зафиксирует пробегающие по пространству-времени гравитационные волны и искажения, инициированные «черными дырами».
Собственно говоря, лазерный интерферометр станет измерять время, за которое луч света пропутешествует между двумя лейстнеровскими зеркалами, подвешенными в вакууме на расстоянии 4 км друг от друга. При прохождении гравитационной волны через земной сектор космического пространства сия дистанция непременно изменится, хотя и на такую исчезающе малую величину, что LIGO придется иметь дело с тысячными долями… диаметра протона! И данное обстоятельство требует совершенно беспрецедентной в научной оптике точности при обработке зеркал.
Как известно, доселе исследовано лишь около 10 % известной нам Вселенной, а информацию ученым поставляют видимый и инфракрасный свет, радиоволны, рентгеновское и гамма-излучение. Значение проекта UGО для человечества трудно переоценить, ибо гравитационные силы несут в себе самые глубочайшие тайны мироздания…
Для Ахима же Лейстнера это кульминация всей его творческой жизни: «И вот, почти на исходе профессиональной карьеры, я со своей страстью к оптическому совершенству вдруг оказался в центре двух самых дерзких научных программ нашего века! Просто фантастика…»
По материалам британского агентства REX FEATURES публикацию подготовила Л.ЩЕКОТОВА
Художник Ю. САРАФАНОВ