Метр метрології
150 років тому народився Шарль Гійом, створювач унікальних за своїми властивостями сплавів.
Точні виміри неможливі без точних вимірювальних приладів. Для їхнього виготовлення потрібні особливі матеріали, нечутливі до зовнішніх впливів. Один із перших і найвідоміших — нікелево-сталевий сплав інвар, який не піддається впливу температурних коливань. Оригінальну авторську назву сьогодні має ArcelorMittal, але це не заважає іншим компаніям випускати цей матеріал під іншими торговельними марками: FeNi36, 64FeNi, 36Н.
Кожен із нас напевно чув низькочастотний шум від трансформаторної будки або опори лінії електропередачі. Це настирливе «дзижчання» породжується явищем магнітострикції — перетворення лінійних розмірів і обсягу тіла внаслідок зміни його намагніченості. Змінний струм, проходячи через осердя, змушує метал стискатися й розтискатися, і ці коливання, які передаються через повітря, ми сприймаємо як шум.
Однак бувають випадки, коли небажане явище дає користь. Наприклад, якщо компенсує ефект іншого небажаного явища. Саме така ситуація в деяких сплавах: нагрівання, що звичайно породжує теплове розширення, компенсується магнітострикцією, і в результаті метал майже не реагує на зміну температури. Сьогодні за сплавами із близьким до нуля коефіцієнтом теплового розширення міцно закріпилася назва «інвари» — на честь першого представника цієї групи, відкритого в 1899 році Шарлем Гійомом.
Цілком позбутися ефектів теплового розширення вченому не вдалося. Однак цей показник у відкритого ним сплаву був фантастично малий — настільки, що ним можна було зневажити. Шарль Гійом без вагань назвав його «інваром», тобто «незмінним». Дійсно, зміна температури на 1 градус спричиняє зміну лінійних розмірів виробу з інвару лише на 1,2 мільйонні частки, а в окремих надчистих (із умістом домішок менше 0,1%) сучасних модифікацій сплаву — ще вдвічі менший коефіцієнт теплового розширення. Ще більшої цінності новому сплаву надавало те, що свою унікальну «опірність» температурі він зберігав у дуже широкому діапазоні: від -20 до 100°C.
Новий сплав не був чимось надзвичайним: 63% заліза, 36% нікелю, 0,4% марганцю, 0,1% вуглецю… Але саме в простоті інвару вчений бачив його призначення: за задумом Гійома, він мав замінити дорогий платиново-іридієвий сплав. Наявні ж у більшості дрібних провінційних метрологічних лабораторій вимірювальні стержні із заліза (коефіцієнт теплового розширення якого значно вище, ніж у інвару) у польових умовах давали великі похибки, і це перешкоджало поширенню й укоріненню єдиної метричної системи.
Саме метрологія стала справою життя вченого: у 1883 році 22-літнім юнаком він прийшов асистентом у Міжнародне бюро мір і вимірних пристроїв, а в 1915-му очолив його й залишався на посаді директора до останнього дня. «Найвидатніший метролог сучасності, чиї відкриття мають величезне значення для точних наукових вимірів, а, отже, і для розвитку науки в цілому», — так представили Гійома на церемонії вручення Нобелівської премії з фізики 1920 року.
… У Лондоні виробництво годинників налагодив дід майбутнього вченого, успішний сімейний бізнес успадкували і його сини. Батько Шарля Едуард, який згодом переїхав у Швейцарію, займався вдосконаленням морських хронографів; розв’язати проблему герметичності було набагато простіше, ніж забезпечити постійну точність роботи годинникового механізму в умовах охолодження. Завдання, над яким працював батько, не давало спокою й хлопцеві: поліпшити балансування коліщат він намагався і школярем, і студентом знаменитої Цюріхської політехніки — Федерального технологічного університету. У 1882 році він здобув докторський ступінь за дисертацію з електролітичних конденсаторів. Потім рік відслужив у артилерії й із головою поринув у велику науку.
Багаж знань та інтересів молодого співробітника Міжнародного бюро мір і вимірних пристроїв був різноманітний: дитяче захоплення вимірювання часу, вузівська спеціалізація в галузі електрики, свіжі армійські наробітки з балістики… Але несподівано для всіх він зацікавився температурою: зайнявся калібруванням ртутних термометрів з урахуванням теплового розширення матеріалів. Приблизно тим же періодом датоване й перше, скоріше за все, випадкове знайомство Шарля Гійома із властивостями нікелево-сталевих сплавів; їх аномально низький коефіцієнт теплового розширення і був поштовхом до проведення циклу досліджень, у процесі яких було обчислено оптимальну рецептуру — 64:36. Отоді вчений знову згадав про проблеми часу, які поступилися його захопленню температурою. Із подачі Гійома інвар швидко знайшов застосування в годинниковій справі — шестірні й маятники з нового сплаву належним чином оцінили виробники морських, астрономічних та інших хронометрів з особливими вимогами до точності. А близько 1920 року вимірювальна техніка отримала ще один безцінний подарунок від Гійома — сплав із надзвичайно низьким коефіцієнтом теплової зміни еластичності. Пружини з елінвару дозволили створити ще більш точні, майже нечутливі до температури хронометри.
Крім своїх знаменитих сплавів, Шарль Гійом відомий піонерними роботами у різних галузях метрології: він перший коректно оцінив температуру космосу, контактним методом надав нове значення об’єму в 1 літр, досліджував північне сяйво… За ці й багато інших відкриттів Гійома призначили почесним доктором багатьох європейських університетів і членом провідних академій наук. У 1924 році його обрала почесним іноземним членом і Академія наук СРСР. А майже через 50 років після смерті вченого його винахід ще раз продемонстрував свої можливості: 23 березня 1983 року ракета-носій «Протон» із Байконуру вивела на навколоземну орбіту автоматичний телескоп «Астрон», який не мав на той час аналогів. Цей апарат — плід спільної розробки хімкінського НВО імені С. Лавочкіна, Марсельської лабораторії та Кримської астрофізичної обсерваторії — працював замість запланованого року шість років, адже начинку приладу було виготовлено з інвару.
