В канун юбилея ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (Росстандарт) журнал «Наука и жизнь» опубликовал интервью с генеральным директором института Антоном Прониным.

О создании новых эталонов и глобальных событиях в мире науки об измерениях известный научно-популярный журнал периодически пишет, но вот поговорить по душам с руководителем старейшего метрологического научного центра и узнать, почему и как метрологи объединяют человечество удалось впервые.

Представляем материал «Мир после запятой» в рубрике «Инструменты науки», подготовленный заместителем главного редактора Максимом Абаевым. С разрешения редакции публикуем интервью полностью.

Мир после запятой

Ещё в середине прошлого века самый точный на Земле метр можно было подержать в руках. Вплоть до 1960 года изготовленные во Франции в конце XIX столетия три десятка одинаковых стержней из платино-иридиевого сплава служили всемирными эталонами единицы длины. На фото — макет такого эталонного метра.

В научной среде ещё недавно курсировал анекдот (кто-то из читателей наверняка его помнит) про физика, математика и инженера, которым дали задание: найти объём красного резинового мячика. Физик погрузил мяч в стакан с водой и измерил объём вытесненной жидкости, математик измерил диаметр мяча и рассчитал тройной интеграл, а инженер достал из своего стола «таблицу объёмов красных резиновых мячей»… Каждый из учёных решил задачу тем методом, которым привык решать стоящие перед ним научные задачи и которым владеет в совершенстве. Но автор шутки не включил в «соревнование» представителя той науки, без которой ни физики, ни математики, ни инженеры не смогли бы договориться, какое из полученных значений объёма мячика — верное. Верное настолько, насколько оно может и должно быть.

Науку об измерениях — метрологию — многие воспринимают как своего рода «бэк-офис» больших наук вроде физики, химии или биологии. Некоторые и вовсе сомневаются в её необходимости: исследователи, мол, сами разберутся, как пользоваться своими приборами, не стоит им мешать делать открытия ежегодными метрологическими поверками. Однако один всемирно известный русский учёный, возглавивший в 1892 году в Петербурге «Депо образцовых мер и весов», скорее всего, думал по-другому…

О том, как метрология помогает наукам развиваться, а людям объединяться, рассказывает Антон Николаевич Пронин, генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д. И. Менделеева.

Как менялись эталоны

Слово «глобализация» охватило население Земли на рубеже XX—XXI веков. Однако в области науки речь о глобализации пошла, конечно, намного раньше, а первыми реальными глобализаторами можно назвать метрологов, благодаря которым в 1875 году в Париже была подписана Метрическая конвенция. Страны-участницы договорились о том, что надо измерять всё в определённых единицах, чтобы выбранные эталоны прослеживались и чтобы единицы физических величин были действительно общими для всех. Следующий шаг метрологами был сделан в 1960 году, когда была утверждена Международная система единиц (СИ), распространившаяся уже на большее количество единиц, чем было изначально установлено в Метрической конвенции. И, наконец, в 1999 году появилось Соглашение «О взаимном признании национальных эталонов и сертификатов калибровки и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами» (CIPM MPA).

Как видим, измерять всё в одних и тех же единицах метрологи договорились ещё 150 лет назад, но практическая реализация этих договорённостей стала реальностью лишь относительно недавно. Почему же этот путь оказался таким долгим? Скорее всего, из-за отсутствия в мире большой потребности в подобном движении. Процессы глобализации заметно ускорились лишь к концу ХХ века, а до этого национальное законодательство в странах всё-таки превалировало.

Тут надо оговориться: метрология — это далеко не только наука. Метрология — сфера деятельности. Есть законодательная метрология, есть вопросы, связанные с международным признанием, и есть собственно наука метрология. И как сфера деятельности, и как наука, метрология закладывает основы, которые позволяют всему научному сообществу общаться на одном языке, сравнивать и осмысливать результаты экспериментов, проведённых в разных местах. Опять же на одном языке и с одним инструментарием подходить к этим результатам.

Поначалу метрология (вернее, только что появившаяся Метрическая конвенция) касалась в первую очередь физики. Потому что речь шла преимущественно о геометрических измерениях, о массе и других осязаемых физических параметрах. Потом, уже во второй половине ХХ века, к метрологии активно подключилась химия. Стало понятно, что измерения в химии надо привести в соответствие с едиными правилами, пронизывающими и другие науки. Это позволило физикам и химикам обсуждать результаты своих экспериментов на одном языке. Началась активная интеграция, взаимное проникновение наук.

К концу ХХ века к метрологии стала тянуться и биология. У биологов возникло понимание, что если на качественном уровне, на уровне оценок какие-то результаты экспериментов и описывались, то с количественным сравнением, с достоверностью измерений возникали проблемы. Но в целом, если говорить о биологии и медицине, то эти науки — ещё на стадии выработки и освоения метрологического языка. Простой пример из жизни. Мы с вами привыкли к тому, что анализы, сделанные в одном медицинском учреждении, «не действительны» в другом. Не потому что врачи не верят «чужим» анализам, а потому что так построена система. Каждая фирма, производящая медицинское оборудование, выпускает свои приборы, свои калибраторы. И даже с учётом того, что приборы показывают результаты в одних и тех же единицах, это весьма условные единицы, привязанные к оборудованию и реактивам конкретной фирмы. Сама проблема с измерениями в медицине была поставлена давно, ещё в конце 1970—1980-х годов. И в СССР, и на Западе были исследования, когда, например, один и тот же образец крови высылали на анализ в разные лаборатории, где в итоге получались совершенно разные результаты. К сожалению, прошло уже больше 40 лет, а пути решения этой проблемы ещё ищутся и только начинают обретать более или менее чёткий вид. Эта область пока не «переварена» метрологией полноценно, но прогресс уже ощутим.

После медицины, на мой взгляд, прогресс метрологии распространится на области нейрофизиологии и психологии. Сейчас появляются возможности измерить, как и что воздействует на психику человека, конкретно отражаясь в организме, в сигналах мозга. Хотя это и сложная с этической стороны тема, потому что мы можем дойти до уровня, когда захотим, к примеру, определять способности человека по каким-то физиологическим характеристикам. Но, несомненно, в данном направлении уже есть движение. Такие исследования нужны, и они должны человеку о нём самом много нового рассказать.

Так что метрология — открытая и беспрестанно расширяющаяся область науки и человеческой деятельности.

Представления человека об окружающем мире конечны в каждый конкретный момент времени, тогда как природа постоянно готовит человечеству новые сюрпризы. Когда-то казалось, что атом — это предел наших представлений о материи, но потом учёные начали копать вглубь, и там открылись совершенно нескончаемые бездны. В чём была задача во времена становления системы измерений? Когда вводили метрическую систему в конце XVIII века, в её основу были положены два принципа: первый — создать единицы измерения на все времена и для всех народов, а второй заключался в том, чтобы взять единицы из природы и сделать их устойчивыми и понятными для всех.

Со стандартизацией получилось. С тем, чтобы сделать единицы измерений понятными, тоже. А вот со «взятием из природы» возникли проблемы. Метр как одна сорокамиллионная часть парижского меридиана и килограмм как кубический дециметр воды оказались не очень-то и точны. Выяснилось, что длина меридиана не такая постоянная, да и воду нужно брать предельно чистую, в идеале с учётом даже изотопного состава. Но всё равно желание привязаться к чему-нибудь природному у метрологов не пропадало. Отсюда и родилась идея перехода на фундаментальные физические константы. Если раньше мы значение этих констант уточняли, измеряя соответствующие параметры в физических уравнениях, то потом поняли, что это можно использовать и наоборот: сначала максимально точно измерить эту константу, приписать ей это значение с нулевой неопределённостью, а дальше по-строить аппаратуру, которая на основе этого значения реализует измерение, например, массы, длины, силы тока…

Как становятся метрологами

Начнём с того, что метрологическому образованию в нашей стране уже сто двадцать с лишним лет. В 1842 году Николай I подписал указ о введении Положения о мерах и весах в Российской империи, который положил начало деятельности Главной палаты мер и весов (тогда она называлась «Депо образцовых мер и весов»). Интересный момент: положение вступало в действие с первого января 1845 года, то есть де-факто давалось почти два с половиной года на подготовку эталонов. Это к вопросу о нынешних темпах жизни, когда постановление правительства уже завтра вступает в силу, и то ещё хорошо, если не вчера…

С 1892 года и фактически до конца своей жизни (1907 год) Палатой руководил Дмитрий Иванович Менделеев. Тут я хотел бы сказать, что Менделеева пора считать, по крайней мере, не только химиком, но и метрологом. Да, главное дело жизни Дмитрия Ивановича, с точки зрения вклада в мировое развитие, — безусловно, периодический закон. Но в развитие страны — не только метрологии — он внёс очень много ценного, и будет хорошо, если у нас смогут использовать более полно наследие великого учёного.

Что касается метрологии, то вскоре после того, как Менделеев приступил к руководству Палатой, стало ясно: Положение о мерах и весах в Российской империи нужно изменить, осовременить, и в Положении по инициативе Дмитрия Ивановича была прописана подготовка поверителей для Главной палаты. По сути, это и заложило основы метрологического образования в России. Кстати, в письме тогдашнему министерству финансов Менделеев утверждал, что необходимо построить здание с казёнными квартирами для сотрудников Палаты мер и весов. Мотивация проста: людей, склонных к точным измерениям, в мире немного, касается это и России. Учитывая, что в стране на тот момент было всего 18% грамотных, прослойка будущих российских метрологов получалась очень маленькой. Жалованье государственного чиновника размером не впечатляло, поэтому казённые квартиры могли стать дополнительным способом привлечения людей в метрологическую службу.

И всё же подготовка профессиональных метрологов долгое время была ограниченной. Задача метрологии — оценить, что надо измерять, в каких процессах, как измерять и что для этого надо использовать. Задача поверителя — поддерживать измерительные инструменты в рабочем состоянии. Очень важная работа, но всё же в плане метрологии как науки это только первая ступень. В Советском Союзе существовали техникумы, которые готовили непосредственно поверителей, это был уровень среднего специального образования. А метрологи, которые занимались разработкой новых методик, новых средств измерений, обычно приходили в метрологию уже с высшим образованием физика или химика за плечами. Чтобы что-то сделать в метрологии, надо хорошо разбираться именно в фундаментальной науке. Отдельные специалисты, конечно, вырастали из поверителей, но таких были единицы, вырастить из хорошего физика или химика метролога оказалось гораздо проще. Метрологу, чтобы стать настоящим специалистом-исследователем, нужна основательная практика. Практика же раньше проходила на слабой вузовской приборной базе, из-за этого обучение получалось больше теоретическое. Сейчас ситуация с материальной базой стала улучшаться, улучшается и подготовка. Но по-прежнему для метролога высшей квалификации, специалиста-исследователя предпочтительнее путь из профессиональной среды.

Сейчас у нас, во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д. И. Менделеева, развивается Метрологический образовательный кластер, включающий в себя и школы, и вузы, потому что мы с коллегами поняли: метрологию нужно пропагандировать с самого юного возраста. Чтобы у людей, имеющих к ней склонность, просыпалось желание ею заниматься, чтобы они профессионально образовывались. Вузам также необходимо перестроить свои учебные программы. Не стоит студентов учить все четыре года бакалавриата пользоваться штангенциркулем и выполнять элементарные измерения, надо копать глубже. Без действительно хорошего курса физики у человека не сложится миропонимания, и он всё равно останется на уровне поверителя, которого раньше готовил техникум. А тратить четыре года (если с магистратурой, то и шесть лет) на то, чтобы получить высококвалифицированного, но поверителя, — расточительство. Люди должны заниматься тем, что им интересно, продвигать своё дело, показывать себя в этом мире, совершать открытия и развивать технологии. Мы надеемся, что, изменив структуру подготовки метрологов, можно будет получить полностью подготовленных специалистов.

Полетим ли мы… на Марс? И будем ли жить… дружно?

На одной только метрологии до Марса не долететь, да и до Луны тоже. Это очевидно. Но то, что осваивать космос без метрологов не получится, понятно не всем. Обычно, когда говорят о нужности метрологии, приводят примеры от противного. Взять самую большую метрологическую ошибку в истории — когда один из космических аппаратов потерпел крушение на Марсе лишь потому, что система управления двигателя воспринимала сигнал в метрической системе, а команды ей отдавались в футах и дюймах. Впрочем, сейчас можно найти более созидательные примеры правильной метрологической аргументации. При создании тест-систем к коронавирусу и вакцин метрология сыграла серьёзную роль в части разработки стандартных образцов, что позволило заметно сократить время исследовательских работ. Метрология может упростить и ускорить определённые работы, не дать разработкам уйти в сторону, когда есть ограничение по времени. Можно привести примеры и из фундаментальной науки. Новые квантовые физические эффекты были открыты в процессе поиска решений для точных измерений в одном из зарубежных метрологических институтов.

Метрология, повторю, это не просто наука, но и сфера деятельности, частично регулируемая государством. Но хорошо ли в этом случае, что лишь частично? Например, геодезия, картография и геология не попали в сферу государственного регулирования и вроде бы прекрасно стали жить, забыв о метрологии. И вот некоторое время назад геофизики занялись магнитным картированием территории страны, потому что последние такие карты были сняты в середине прошлого века, а с тех пор магнитное поле Земли хоть и немного, но поменялось. Снимали карту отдельными участками, естественно, разными магнитометрами, в разных условиях и занимались этим разные специалисты в разных организациях. А когда начали «склеивать» карту, объединять данные, то выяснилось, что на границах отдельных участков значения не сходятся, а значит, какие-то из приборов врут.

Из разговора с кем-то из геофизиков я узнал, что они не поверяют свои приборы для измерения магнитного поля. Они считали, что настроить приборы можно и «своими силами», буквально скрутить проволочку, пропустить через неё ток… и получить «эталонный» магнит. И действительно, до определённого предела человек, который во всём этом разбирается, знает физику и процесс измерений, понимает, что это можно. Хороший исследователь сам чувствует свой прибор, видит, когда начинается уход характеристик. Но когда исследователь переходит к следующей ступени, когда нужно что-то подтвердить, согласовать свои результаты с результатами коллег, в том числе за рубежом, он вынужден звать метрологов, чтобы вместе разобраться и быть уверенным, что измерения верны. Особо честные геодезисты потянулись к нам в институт сверять свои приборы. Потому что на практике без поверенных инструментов результаты «не склеиваются».

Метрологи нужны и тогда, когда возникает потребность сделать шаг в глубину понимания материи. Именно поэтому в «метрологии высоких достижений» нужно быть большим специалистом в физике, химии, биологии — иначе не разберёшься в поставленной задаче. Но у многих всё ещё нет понимания, что единство измерений всегда лучше, чем его отсутствие. Отсюда растёт заблуждение, что целые отрасли могут прожить без метрологии.

Для того чтобы обеспечить опережающее развитие какой-то отрасли (или какой-то науки), нужно так же опережающе развивать инструментарий данной отрасли. Это вопрос организационный и финансовый. Если все в промышленности и науке будут планово сообщать метрологам, чего они хотят достичь, тогда и метрологи смогут создать необходимые меры, средства, методики измерений и т. д. И это получается уже планирование народного хозяйства, как сказали бы в советское время.
В условиях рынка это происходит естественным путём, но несколько хуже. Некоторые фирмы создают свои исследовательские компании, государство собирает эту информацию и обеспечивает инвестиции в перспективные направления…

Конечно, полностью опережающее развитие метрологии вряд ли возможно. Потому что мы, метрологи, не можем получить лучший прибор, чем получит тот же физик, и получить его раньше, чем физик. Иначе он не сделает своё открытие. Мы должны идти в ногу с учёными, совершать одновременные шаги, по возможности заглядывая чуть вперёд. Нужно взаимодействие научно-исследовательских институтов и метрологов. И соответствующая квалификация кадров. Там, где зачастую самому исследователю кажется, что он справится и так, уже завтра он может увязнуть в болоте неопределённостей, которое нужно будет «осушать» с помощью метрологических технологий.

Отдельный вопрос с медициной. Приходя в поликлинику, оказываясь в больнице, любой пациент рассчитывает на быструю помощь, надеется на точную постановку диагноза. Ведь он наслышан об успехах здравоохранения. И знает, как это бывает… Но «Доктор Хаус» и ему подобные сериалы — это художественные произведения, а в реальности доктор на пациента зачастую не будет и смотреть, пока не увидит набор его анализов, а система искусственного интеллекта не подскажет ему, что с пациентом делать. Плохо это или хорошо, но современный врач всё больше выполняет функцию оператора системы, в которую лишь иногда вносит маленькие коррективы. У нас, насколько могу судить, пока ещё всё-таки по-другому, но технический прогресс и тут не остановить, это естественный ход событий.

Надеюсь, что в ближайшем будущем мы будем иметь метрологически обеспеченную не только геологоразведку, но и медицину.

Метрология, став пионером в части объединения людей во всём мире, остаётся верна своим принципам, способствуя сотрудничеству во благо прогресса всего человечества. Сейчас нас часто пытаются убедить, что людей может объединять идеология, религия или что-то ещё. Но мы, метрологи, считаем, что взаимопониманию и прогрессу в первую очередь способствует развитие науки и создание единого языка науки во всём мире.

Записал Максим АБАЕВ.
Фото Андрея Лисинского.

Журнал «Наука и жизнь» № 6, 2022.