Как гравитация меняет определение килограмма: что обнаружили исследователи

В мире, где точные измерения необходимы для науки, техники и промышленности, переопределение единиц измерения стало приоритетом.

Недавно два исследователя, Клаус Ламмерцаль, профессор гравитационной физики Бременского университета, и доктор. Себастьян Ульбрихт из Национального института метрологии предложил инновационный подход: использование гравитации для квантовой реализации единиц измерения. Их идеи были опубликованы в престижном журнале Письма о физических отзывах и открыть новые перспективы в области метрологии, науки об измерениях.

Революция 2019 года: от физических объектов к фундаментальным константам

До 2019 года такие единицы, как килограмм, метр или секунда, определялись путем сравнения с природными явлениями или физическими объектами. Например, килограмм был связан с «оригинальным килограммом» — металлическим цилиндром, хранившимся в хранилище в Париже.

Однако у этого подхода были ограничения: физические объекты распадаются, и измерения на их основе могут стать неточными. В 2019 году произошли радикальные изменения в переопределении единиц измерения, основанные на фундаментальных константах природы, таких как постоянная Планка. Килограмм, например, был переконфигурирован с использованием методов, основанных на квантовой физике.

Примером может служить использование шкалы Киббла — устройства, связывающего массу с электрическими величинами. Измеряя механическую энергию и уравновешивая ее электрической энергией, весы Киббла позволяют рассчитывать массу в квантово-электрических единицах. Эти измерения проводятся с использованием таких эффектов, как эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла, которые играют важную роль в современной метрологии.

Гравитация как основа механических измерений

Ламмерцаль и Ульбрихт предлагают распространить эту парадигму на гравитацию. По их мнению, гравитация может стать таким же мощным инструментом в создании единиц измерения, как и электромагнетизм.

«Гравитационное поле для масс — то же самое, что электромагнитное поле для электрических зарядов», — объясняет Лэммерцаль.

Два исследователя перенесли вспомогательные эффекты, используемые в метрологии, такие как эффекты Джозефсона и Холла, в гравитационные поля. Таким образом, они предполагают возможность создания гравитационной версии этих квантовых эффектов. Это нововведение может проложить путь к механическому использованию килограмма и других единиц, полагаясь исключительно на силу гравитации.

Этот подход имеет несколько преимуществ. В отличие от методов, основанных на электромагнетизме, гравитация — это универсальная фундаментальная сила, присутствующая в любой системе, содержащей массу. Следовательно, измерения, проводимые с помощью гравитации, могут быть более надежными и независимыми от окружающей среды.

Ламмерцаль и Ульбрихт полагают, что перенос метрологических принципов от электромагнетизма к гравитации может иметь широкое применение не только для создания килограмма, но и для других фундаментальных механических единиц.

Последствия будущего: новые возможности для метрологии

Это исследование представляет собой важный шаг в понимании того, как фундаментальные взаимодействия в природе можно использовать для высокоточных измерений. Если метод, предложенный Ламмерцалем и Ульбрихтом, будет проверен, он может еще раз произвести революцию в метрологии, предоставив элегантную и надежную альтернативу нынешним методам.

Разработка новых методов создания гравитационных единиц измерения может найти применение в различных областях: от фундаментальной физики до передовых технологий. Кроме того, эти открытия подчеркивают взаимосвязь между электромагнитными и гравитационными полями, открывая путь для новых направлений исследований в квантовой физике и теории гравитации.