Ось найкругліший об’єкт у світі, і він насправді дуже важливий (і дорогий)

Ймовірно, вас ніколи не цікавило, як виглядає найкругліша річ у світі. Мабуть, якась кулька та й по всьому. Тепер ми скажемо, що найкругліша річ у світі, очевидно, створена людьми, вона надзвичайно дорога (що аж безцінна), а також надзвичайно корисна (для вчених... навряд вам знадобиться ідеальна куля у повсякденні).

• Навіть тут обман: чому апельсини та мандарини продаються у червоних сітках

Деталі

Найкруглішими об'єктами у світі є кремнієві сфери Міжнародного проєкту Авогадро. Їх сім штук, і вони розкидані по різних куточках світу. Кожна з них має унікальну, майже неможливо ідеальну форму, створену міжнародним конгломератом вчених і урядових організацій, і вони були створені з єдиною метою: змінити світ на фундаментальному рівні.

Наскільки ці кулі круглі? Наскільки взагалі щось є круглим? Для прикладу, наша планета доволі кругла й гладка. Якщо збільшити більярдну кулю до розміру Землі, то її нерівності були б глибшими за найглибші каньйони планети, й значно вищими за наші гори. У випадку ж кремнієвої кулі, то розміром із Землю відстань між найвищою горою та найглибшим океаном становила б лише 3–5 метрів. Але для чого створені ці штуки?

Проєкт Авогадро спрямований на використання ідеальних кремнієвих сфер для точного визначення значення константи Авогадро (фундаментальної фізичної константи). Метою створення ідеальних куль було перевизначити кілограм у термінах постійної Авогадро. Навіщо нам перевизначати кілограм? На це є вагома причина.

Ще у 18 столітті, коли метрична система тільки виникла, перші визначення базувалися на природному світі: метр мав дорівнювати одній 10-мільйонній частині відстані між Північним полюсом і екватором, виміряної вздовж лінії, що проходить через Париж; літр мав бути об’ємом 1/1000 кубічного метра води, виміряним за точки танення льоду; а кілограм буде масою цієї води у вакуумі.

Закріпивши ці визначення, Французька академія наук взялася за те, щоб зробити їх офіційними. У 1799 році вони замовили фізичні об’єкти для ілюстрації одиниць: платиновий злиток завдовжки рівно один метр і циліндр вагою рівно один кілограм. Через деякий час ці міри стали популярними у світі, й у 1875 році Договір про метр був підписаний 17 країнами для створення Генеральної конференції з мір і ваг.

Проте була одна проблема, яку у ті часи не розуміли: ця система повністю базувалася на фізичних об’єктах. Окружність Землі, можливо, здавалася незмінною природною константою для творців метричної системи, але насправді вона постійно змінюється. Все пішло не так із самого початку, оскільки вчені, яким було доручено визначити довжину, помилилися на 0,2 міліметра, і ніхто ніколи не виправляв остаточну цифру.

Саме з цієї та інших причин у 20 столітті люди почали виступати за перевизначення одиниць відповідно до набагато точніших природних констант. Метр був визначений у термінах першої довжини хвилі різних частот світла, а зрештою в 1983 році як "довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 секунди" (саме завдяки цьому ми знаємо точну швидкість світла.

Секунда була визначена визначений як "тривалість 9 192 631 770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133". Температура мала бути встановлена ​​на постійну Больцмана, цифру з термодинаміки; моль – одиниця, за допомогою якої ми вимірюємо кількість речовини, була зафіксована як кількість речовини 6,022 140 76⋅10²³ частинок, вона ж число Авогадро. Але найживучішим виявився кілограм, який визначали за тим давнім шматком платини.

Проблемою було також те, що коли еталонний кілограм створювали, зробили ще 40 копій. Але вони не були ідентичними. Різниця була десь у 50 мікрограмів, але для фізиків це значна причина, щоб знайти щось краще.

У 2005 році на 94-му засіданні Міжнародного комітету мір і ваг було зроблено офіційну рекомендацію про те, що кілограм слід перевизначити відповідно до універсальної константи. Комітет вирішив, що найкращим варіантом буде використання сталої Планка, але інші вчені вирішили відштовхнутися від числа Авогадро, буквально рахуючи атоми в матеріалі.

По суті, план полягав у тому, щоб побудувати якийсь об’єкт із точно відомої кількості якогось дуже точно відомого матеріалу, а потім визначити кілограм відповідно до цього. Може здатися, що ви зіткнетеся з тією ж проблемою, що й раніше, ви визначаєте одиницю на основі фізичного об’єкта, але насправді це набагато розумніше. Навіть якби кремнієві сфери були втрачені або пошкоджені, це не вплинуло б на визначення кілограма, тому що він визначався б не фізичним об’єктом, а концепцією.

З усім тим, якщо ваше визначення міжнародної стандартної базової одиниці залежить від підрахунку кількості атомів в об’єкті, ви повинні бути дуже, дуже точними у своєму обліку і саме тому сфери мають бути надзвичайно круглими (так, нарешті ми до цього дійшли).

Сферу було обрано як ідеальну форму, оскільки вона не має кутів або країв, які могли б відколотися чи зноситися. Також фішка в тому, що у досконалій сфері об’єм можна розрахувати за єдиним виміром – діаметром.

Кремній був обраний, оскільки уже були зрілі процеси для виробництва та обробки кремнію надвисокої чистоти в електронній промисловості. Це також зручно (в науковому розумінні): відома маса ізотопу кремнію-28 і регулярні просторові параметри його кристалічної решітки, що допомагає в розрахунку кількості атомів у кулі.

Створення сфер було тривалим і всесвітнім процесом: дослідники повинні були "виростити" кремнієві злитки; потім інша команда відшліфує, розгладить і сформує їх у сфери з точністю до атомного рівня. Цю штуку можна використовувати для перевірки сталої Планка (за якою зараз вимірюють кілограм), а на ній базується увесь наш Всесвіт.

Раніше Гарвардські вчені допустили, що життя на землі могло виникнути через удар блискавок. Вони зазначають, що саме удари блискавок стали каталізаторами хімічних реакцій, які призвели до створення перших молекул життя.