Физики уточнили значение постоянной Планка

Американские физики получили наиболее точное на сегодняшний день значение постоянной Планка со стандартным отклонением 13 частей на миллиард.

Постоянная Планка (h) — коэффициент, который связывает величину энергии кванта любой линейной колебательной физической системы с ее частотой. Первоначально константа применялась к закономерностям, характерным для электромагнитного излучения, и сейчас широко используется в квантовой механике, например при оценке момента импульса и фазы колебаний, а также в определении планковских единиц, включая метр и секунду. В 2011 году участники Генеральной конференции по мерам и весам приняли резолюцию о ревизии Международной системы единиц СИ с помощью уточнения постоянной Планка. Согласно проекту, к 2018 году ученые должны представить наиболее достоверные результаты измерений контанты.

Инициатива предполагает новое определение четырех единиц: килограмма, ампера, кельвина и моль. Самое точное значение числа Авогадро, необходимое для работы с последним, было получено в 2015 году. Оценка постоянной Планка, в свою очередь, важна для переосмысления килограмма. Сейчас эта единица массы определяется через платиново-иридиевый эталон — цилиндр, который был изготовлен в 1879 году и хранится в Международном бюро мер и весов. Чтобы детализировать константу и уменьшить ее зависимость от прототипа, специалисты из Национального института стандартов и технологий (NIST) США, Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании и других стран проводят эксперименты с ватт-весами.

Конструкция ватт-весов NIST-4 / ©L. S. Chao et al., CPEM, 2014

Технология ватт-весов была предложена британским физиком Брайаном Кибблом (Bryan Kibble) в 1975 году. Установка работает так. Через токопроводящую катушку, расположенную между двумя постоянными магнитами, пропускают электричество, в результате чего возникает магнитное поле, взаимодействующее с постоянным полем магнитов. Затем с поправкой на гравитационное ускорение рассчитывается электромагнитная энергия, необходимая для уравновешивания груза массой, кратной стандартному килограмму. Постоянная Планка пропорциональна количеству этой энергии. Варьируя напряжение, ученые также могут проследить динамику величины исходя из скорости вращения колебательного контура.

В 2016 году американские исследователи с помощью ватт-весов NIST-4 получили постоянную Планка с относительным стандартным отклонением не более 34 частей на миллиард (34?10^-9): 6,62 606 983?10^-34 джоуль-секунды. В новой статье авторы обобщили итоги более чем 10 тысяч экспериментов, проведенных с 2015 по 2017 годы, сократив стандартное отклонение до 13 частей на миллиард (13?10^-9). Уточненное значение постоянной Планка составило 6,626 069 934 (89)?10^-34 джоуль-секунды. Помимо накопления большого объема статистических данных, увеличить достоверность измерений позволили грузы разной массы (0,5–2 килограмма), а также изменения скорости катушки (0,5–2 миллиметра в секунду).

По словам ученых, показатели, полученные с помощью разных режимов работы ватт-весов, неидентичны, но хорошо согласуются между собой, относительное стандартное отклонение соответствует рекомендациям Комитета по данным для науки и техники (CODATA) — не более 20 частей на миллиард (20?10^-9). Переопределить единицы СИ с учетом уточненной постоянной Планка планируется в ноябре следующего года. Расчетная величина килограмма будет сравниваться с новым физическим эталоном — сферой из высокочистого кремния-28.

Подробности работы представлены в журнале Metrologia.