Точность под колпаком

В 2018 году человечество окончательно переопределит основные единицы измерения. Вы в курсе, что метр на вашей рулетке сейчас «сводится» к скорости света? Такой концептуальный переход стал одной из главных тем на прошедшей во ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева масштабной международной конференции.

Правда, сама конференция была посвящена 175-летию института, преемника первого в России (и одного из старейших в мире) государственного метрологического учреждения - и это сам по себе уважительный повод.

Нашего собеседника, доктора технических наук, мы спросили о том, что такое «метрологическая независимость государства» и почему Россия, одна из лидеров мировой метрологии, недостаточно «точна», чтобы сделать мерседесовский двигатель.

- Кирилл Валерьевич, доводилось читать, что по возможности вести точные измерения Россия занимает одно из лидирующих мест. Что конкретно имеется в виду?

- Россия на втором месте по так называемым международно признанным измерительным возможностям. Во всем мире килограммы, метры, амперы, вольты, кельвины и прочие величины одинаковы, и даже США, где пользуются и английской системой (дюймами, футами и т. д.), на международном уровне опираются на Метрическую конвенцию 1875 года. Тогда страны согласились все измерять в одних единицах.

Но вот мы говорим: «Метр» - а что это такое? Да, можно взять рулетку, линейку, но вопрос: почему мы решили, что на этой линейке, этой рулетке - метр?

- Потому что сверили по эталону...

- Да. Длина, масса, температура, напряжение - это величины, а метр, килограмм, кельвин, вольт - единицы величин. Еще в XVIII веке метром считали длину маятника c полупериодом колебания в одну секунду. Затем комиссией французской Академии наук метр был определен как одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана, и в 1799 году в соответствии с этим определением был изготовлен эталон метра из платины. Но меридиан - слишком неопределенная величина уже потому, что наш земной шарик не совсем шарик. Наконец, с 1983 года метр определяют как расстояние, которое проходит свет в вакууме за определенное время. А скорость света (во всяком случае в известной нам Вселенной) постоянна.

Но мало дать определение единицы величины. Нужно сделать устройство, которое воплотит это определение в виде реального изделия или прибора. Это воплощение и есть эталон.

Например, эталон килограмма - гирька, которая хранится в Международном бюро мер и весов, BIPM, в Севре под Парижем. Такой цилиндрик. Маленький, немногим больше катушки ниток, но весом в килограмм, потому что сделан из плотного платиноиридиевого сплава.

В развитых странах, где есть свои национальные системы обеспечения единства измерений, находятся копии той гири. Это национальные эталоны. Они были сделаны в XIX веке, их несколько десятков, а российская, наш Государственный первичный эталон (ГПЭ), хранится в нашем институте под стеклянным колпаком в бронированном сейфе. Раз в год мы ее извлекаем и проводим сличения с гирьками из разных лабораторий внутри страны. А раз в 10 лет национальные эталонные гири разных стран отправляют в Париж, где их сравнивают с мировой эталонной гирей. И каждая страна знает, насколько их килограмм отличается от эталонного, и отслеживает динамику этой разницы.

Так вот свои международно признанные возможности измерения страна подтверждает, когда показывает, что может измерять с заданной точностью.

К слову, мировой эталонный килограмм за 130 лет «похудел» на 50 микрограммов. Это очень маленькое значение, но все же.

- Понятно, что на любой физический объект постоянно что-то действует и его изменяет. Но что действует на «мировой» килограмм?

- Нет однозначного ответа. Но я упомянул килограмм как единственное оставшееся исключение из правила. Потому что только килограмм сейчас имеет мировой эталон в виде артефакта, физического объекта.

- Только его и можно «пощупать»?

- Да. Например, когда-то и метр можно было «пощупать»: его эталоном был этакий кусок рельсы, тоже платиноиридиевый. Но сравнивать национальные «рельсы»-метры с нанометровой точностью крайне трудно, и уже несколько десятилетий, повторю, метр определяют, отталкиваясь от скорости света. Сейчас в разных странах ГПЭ метра не «железка», а специальные установки: лазерные интерферометры, высокоточные частотомеры, которые «воспроизводят» этот метр.

Лет десять назад мировые метрологи решили все основные единицы Международной системы единиц измерения, СИ, переопределить. Через фундаментальные физические константы. Основных единиц семь: секунда, килограмм, метр, ампер, кельвин, кандела (интенсивность излучения) и постоянная Авогадро (количество вещества, в молях). К настоящему моменту некоторые из них уже переопределены в квантовых величинах. Основная трудность с килограммом и числом Авогадро. Очень сложно создать технические устройства для реализации их эталона.

- Каким образом теперь можно сличать тот же метр, если он нематериален? И как часто страны сличают свои единицы измерения?

- Одни единицы сличают раз в год, другие - раз в десятилетие. А, к примеру, секунду - чуть ли не каждый месяц. Все-таки от времени все зависит.

Нематериальные единицы сличают так: метрологические институты государств получают от какой-нибудь страны (ее называют «пилотом») некую меру, измеряют ее, а потом строится график, на котором видны погрешности каждого измерения. Для метра эти погрешности в пределах единиц нанометров.

Так вот если по измерительным возможностям Россия вторая в мире, то по количеству сличений, в которых мы участвуем, - шестая.

- В каких сферах мы не настолько точны, чтобы наши эталоны участвовали в международных сличениях?

- В классических видах измерений (массы, длины, температуры, электрических измерениях и еще некоторых) - мы лидеры. Но в ряде узкоспециальных областей измерений отстаем.

Например, в медицине. Те же медицинские анализы - это же тоже измерения. У вас взяли кровь и сообщают: гемоглобина столько-то, сахара столько-то. Но, как я уже объяснял на примере метра на линейке: а откуда известно, что в анализе именно такое-то количество гемоглобина? Измерения-то провел прибор, а хорошего эталона, чтобы его проверить, нет.

Или фармакопея: в таблетке должно быть определенное количество активного вещества. Но то ли это вещество, не суррогат ли? И сколько этого вещества?

Или измерения в области генной инженерии — от определения генной модификации в продуктах до тестов на отцовство. И в этой метрологии России несильна.

В материаловедении то же самое. Если вы делаете сложное изделие, то состав материала должен быть очень точно известен. Чем отличается современный двигатель от старого: у него очень высокая точность изготовления, и при меньшем объеме двигателя, при меньшем расходе топлива можно «выжать» значительно большую мощность. Когда «Мерседес» делает головку блока цилиндра, требования к материалам жесточайшие. Это тоже метрология.

- Но шестое место из ста с лишним - вроде неплохо.

- Но мы ведь претендуем на то, чтобы быть одним из основных игроков на мировом метрологическим рынке. А я назвал конкретные важные области, в которых мы отстаем, и отставание метрологическое увязано с отставанием технологическим. Поэтому головку блока цилиндра для «Жигулей» мы делаем, а для «Мерседеса» не можем, хоть ты тресни.

- Вы сказали: «метрологический рынок». А что на нем продается-покупается?

- Измерительные возможности - товар, который страна может продавать, хотя и не явно.

Пример. Германия последнее десятилетие активно распространяла свои метрологические возможности в странах Восточной Европы и бывших советских республиках. Каким образом: кредитовала государства, но с условием - «оборудование покупаете у нас».

И вот тут встает вопрос метрологической независимости страны. Если у вас есть свои эталоны и вы можете воспроизвести, например, такую ключевую величину, как метр, - вы независимы. Во всяком случае в том, что касается точности определения длины. Но представьте себе: Россия торгует нефтью и газом, они измеряются в баррелях, тоннах и кубометрах, а на трубопроводах, по которым газ и нефть идут через границу, - немецкие счетчики. Потому что в России нет своих счетчиков для трубопроводов большого диаметра. И настроены эти счетчики, конечно, на немецкий эталон. Мы исходим из того, что наши партнеры добросовестные, но при этом понимаем, что, грубо говоря, продаем наши природные ресурсы, взвешивая их на чужих весах.

- А то, что мы переопределим единицы измерения, мы как-то почувствуем?

- Конечный потребитель этого еще очень долго не почувствует. Просто каждая страна сможет воспроизводить килограмм и прочие единицы независимо. Если, конечно, будет обладать определенными техническими возможностями.

- Мы начали разговор со второго места России. А первое...

- У США. Это к вопросу о том, как увязаны технологии и метрология. Самая развитая технологически страна имеет и лучшую в мире метрологию. Американцы вкладывают в свой Национальный метрологический институт, NIST, 1 млрд долларов ежегодно. Это 60 млрд рублей. У нас бюджет всего Росстандарта на метрологию - 1 млрд рублей в год.

В прошлом году в NIST была выделена отдельная строка финансирования на метрологию интеллектуальных сетей - беспилотный транспорт, умный дом, умная энергетика и прочее. К примеру, беспилотный автомобиль каждый момент времени должен контролировать свое состояние, координаты, положение относительно других объектов. Он это делает датчиками, и это метрология. Россия намерена развивать направление интеллектуальных сетей, но отдельного бюджета на это нет. А ведь если вспомнить: интеллектуальными сетями в Советском Союзе занялись, когда в мире никто еще об этом и не думал.

- Извините, а мы свое неплохое положение в мировой метрологии сохраняем не с советского научного задела?

- По инерции? С одной стороны, в советское время потребность в метрологической независимости была такая и, соответственно, уровень метрологии был так высок, что мы могли бы и не сличать свои метры-килограммы с мировыми эталонами. С другой - ряд направлений (физхимия, электричество, магнетизм, температурные величины) во многом развились за последние 20 - 25 лет, уже в постсоветское время.

Но надо четко понимать: в постсоветские 1990-е эти направления поднимали люди, ставшие учеными в советской системе. Сейчас руководителям наших основных лабораторий за 70 лет. Они деятельные, но понятно, что семидесятилетний человек не так динамичен, как сорокалетний, а таких во всей нашей науке мало. На смену пожилым приходят сразу тридцатилетние.

Правда, в 2000-е годы, когда они учились, наука и образование уже стали выбираться из той ямы, в которой оказались в 1990-х. Уже были федеральные целевые научные программы, их ругают: «Деньги ушли в песок!» - но при всей неэффективности расходов ученые, которые работали в этих проектах, могли прожить на зарплату. И тот процент закупленного оборудования, который не пылился, а был задействован, позволил к нынешнему времени подготовить определенный слой специалистов. Им сейчас вокруг тридцати. Так что динамика, скорее, положительная.