Мэтр метрологии
150 лет назад родился Шарль Гийом, создатель уникальных по своим свойствам сплавов.
Точные измерения невозможны без точных измерительных приборов. Для их изготовления нужны особые материалы, нечувствительные к внешним воздействиям. Один из первых и наиболее известных – не подверженный влиянию температурных колебаний никелево-стальной сплав инвар. Оригинальным авторским названием сегодня владеет ArcelorMittal, но это не мешает другим компаниям выпускать этот материал под иными торговыми марками: FeNi36, 64FeNi, 36Н.
Каждый из нас наверняка слышал низкочастотный шум, идущий от трансформаторной будки или опоры линии электропередачи. Это назойливое «жужжание» порождается явлением магнитострикции – преобразования линейных размеров и объема тела вследствие изменения его намагниченности. Переменный ток, проходя через сердечник, заставляет металл сжиматься и разжиматься, и эти колебания, передающиеся через воздух, мы воспринимаем как шум.
Однако бывают случаи, когда нежелательное явление приносит пользу. Например, если компенсирует эффект другого нежелательного явления. Именно такая ситуация имеет место в некоторых сплавах: нагревание, обычно порождающее тепловое расширение, компенсируется магнитострикцией, и в результате металл практически не реагирует на изменение температуры. Сегодня за сплавами с близким к нулю коэффициентом теплового расширения прочно закрепилось название «инвары» – в честь первого представителя этой группы, открытого в 1899 году Шарлем Гийомом.
Полностью избавиться от эффектов теплового расширения ученому не удалось. Однако этот показатель у открытого им сплава был фантастически мал – настолько, что им можно было пренебречь. Шарль Гийом без колебаний назвал свое детище «инваром», то есть «неизменным». Действительно, перемена температуры на 1 градус вызывает изменение линейных размеров изделия из инвара всего на 1,2 миллионных доли, а у отдельных сверхчистых (с содержанием примесей менее 0,1%) современных модификаций сплава — еще вдвое меньший коэффициент теплового расширения. Еще большую ценность новому сплаву придавало то, что свою уникальную «сопротивляемость» температуре он сохранял в очень широком диапазоне: от −20 до 100°C.
Новый сплав не представлял из себя чего-то из ряда вон выходящего: 63% железа, 36% никеля, 0,4% марганца, 0,1% углерода… Но именно в простоте инвара ученый видел его предназначение: по задумке Гийома, он должен был заменить дорогой платиново-иридиевый сплав. Имеющиеся же в большинстве мелких провинциальных метрологических лабораторий измерительные стержни из железа (коэффициент теплового расширения которого на порядок выше, чем у инвара) в полевых условиях давали большие погрешности, и это препятствовало распространению и укоренению единой метрической системы.
Именно метрология стала делом жизни ученого: в 1883 году 22-летним юношей он пришел ассистентом в Международное бюро мер и весов, а в 1915-м возглавил его и оставался на посту директора до последнего дня. «Самый великий метролог современности, чьи открытия имеют огромное значение для точных научных измерений, а значит, и для развития науки в целом», – так представили Гийома на церемонии вручения Нобелевской премии по физике 1920 года.
…В Лондоне производство часов наладил дед будущего ученого, успешный семейный бизнес унаследовали и его сыновья. Отец Шарля Эдуард, со временем перебравшийся в Швейцарию, занимался усовершенствованием морских хронографов; решить проблему герметичности оказалось куда проще, чем обеспечить постоянную точность работы часового механизма в условиях охлаждения. Задача, над которой бился отец, не давала покоя и мальчику: улучшить балансировку колесиков он пытался и школьником, и студентом знаменитой Цюрихской политехники – Федерального технологического университета. В 1882 году он получил докторскую степень за диссертацию по электролитическим конденсаторам. Затем год отслужил в артиллерии и с головой нырнул в большую науку.
Багаж знаний и интересов молодого сотрудника Международного бюро мер и весов был разнообразен: детское увлечение измерением времени, вузовская специализация в области электрики, свежие армейские наработки по баллистике… Но неожиданно для всех он переключился на температуру: занялся калибровкой ртутных термометров с учетом теплового расширения материалов. Приблизительно к тому же периоду относится и первое, предположительно случайное, знакомство Шарля Гийома со свойствами никелево-стальных сплавов; их аномально низкий коэффициент теплового расширения и послужил толчком к проведению цикла исследований, в ходе которых была вычислена оптимальная рецептура – 64:36. Вот тогда-то ученый снова вспомнил о проблемах времени, которые оттеснило на второй план увлечение температурой. С подачи Гийома инвар быстро нашел применение в часовом деле – шестеренки и маятники из нового сплава по достоинству оценили производители морских, астрономических и прочих хронометров с особыми требованиями к точности. А около 1920 года измерительная техника получила еще один бесценный подарок от Гийома – сплав с крайне низким коэффициентом теплового изменения эластичности. Пружины из элинвара позволили создать еще более точные, практически нечувствительные к температуре хронометры.
Кроме своих знаменитых сплавов, Шарль Гийом известен пионерскими работами в самых различных областях метрологии: он первым корректно оценил температуру космоса, контактным методом придал новое значение объему в 1 литр, исследовал северное сияние… За эти и многие другие открытия Гийома назначили почетным доктором многих европейских университетов и членом ведущих академий наук. В 1924 году его избрала почетным иностранным членом и Академия наук СССР. А спустя почти 50 лет после смерти ученого его творение еще раз показало свои возможности во всей красе: 23 марта 1983 года ракета-носитель «Протон» с Байконура вывела на околоземную орбиту не имевший на тот момент аналогов автоматический телескоп «Астрон». Этот аппарат — плод совместной разработки Химкинского НПО имени С. Лавочкина, Марсельской лаборатории и Крымской астрофизической обсерватории — проработал вместо запланированного года шесть лет, ведь начинка прибора была изготовлена из инвара.
