2018 kan kallas ett ödesdigert år inom metrologi, eftersom detta är tiden för en verklig teknisk revolution i det internationella systemet av enheter av fysiska storheter SI. Det handlar om att revidera definitionerna av de huvudsakliga fysiska storheterna. Kommer nu ett kilo potatis i snabbköpet att väga på ett nytt sätt? C potatis blir detsamma. Något annat kommer att förändras.
Före SI-systemet
Vanliga normer i vikter och mått behövdes i forna tider. Men de allmänna reglerna för mätningar blev särskilt nödvändiga med tillkomsten av vetenskapliga och tekniska framsteg. Forskare behövde tala på ett gemensamt språk: en fot är hur många centimeter? Och vad är en centimeter i Frankrike när det inte är detsamma som italienska?
Frankrike kan kallas en hedersveteran och vinnare av historiska metrologiska strider. Det var i Frankrike 1791 som mätsystemet godkändes officiellt och derasenheter, och definitionerna av de huvudsakliga fysiska storheterna beskrevs och godkändes som statliga dokument.
Fransmännen var de första som förstod att fysiska kvantiteter borde vara knutna till naturliga föremål. Till exempel har en meter beskrivits som 1/40 000 000 av meridianlängden från norr till söder mot ekvatorn. Han var alltså bunden till jordens storlek.
Ett gram har också kopplats till naturfenomen: det definierades som vattenmassan i en kubikcentimeter vid en temperaturnivå nära noll (issmältning).
Men, som det visade sig, är jorden inte alls en perfekt boll, och vatten i en kub kan ha en mängd olika egenskaper om det innehåller föroreningar. Därför skilde sig storlekarna på dessa mängder i olika delar av planeten något från varandra.
I början av 1800-talet kom tyskarna, ledda av matematikern Karl Gauss, in i verksamheten. Han föreslog att man skulle uppdatera måttsystemet centimeter-gram-sekund, och sedan dess har metriska enheter gått in i världen, vetenskap och har erkänts av det internationella samfundet, ett internationellt system av enheter av fysiska storheter har bildats.
Det beslutades att ersätta längden på meridianen och massan av en kub vatten med de standarder som lagrades i Bureau of Weights and Measures i Paris, med distribution av kopior till de länder som deltar i metriken konvent.
Kilogram såg till exempel ut som en cylinder gjord av en legering av platina och iridium, vilket i slutändan inte heller blev en idealisk lösning.
Det internationella systemet med enheter av fysiska storheter SI bildades 1960. Till en början omfattade det sexgrundstorheter: meter och längd, kilogram och massa, tid i sekunder, strömstyrka i ampere, termodynamisk temperatur i kelvin och ljusstyrka i candela. Tio år senare lades ytterligare en till dem - mängden av ett ämne, mätt i mol.
Det är viktigt att veta att alla andra måttenheter för de fysiska storheterna i det internationella systemet betraktas som derivator av de grundläggande, det vill säga de kan beräknas matematiskt med hjälp av SI-systemets grundstorheter.
Away from the standards
Fysiska standarder visade sig inte vara det mest tillförlitliga mätsystemet. Själva kilogramstandarden och dess kopior per land jämförs med jämna mellanrum. Avstämningar visar förändringar i massan av dessa standarder, vilket uppstår av olika anledningar: damm under verifiering, interaktion med stativet eller något annat. Forskare har märkt dessa obehagliga nyanser under lång tid. Det är dags att revidera parametrarna för enheterna för fysiska kvantiteter i det internationella systemet inom metrologi.
Därför ändrades vissa definitioner av kvantiteter gradvis: forskare försökte komma bort från fysiska standarder, som på ett eller annat sätt ändrade sina parametrar över tiden. Det bästa sättet är att härleda kvantiteter i termer av oföränderliga egenskaper, såsom ljusets hastighet eller förändringar i atomernas struktur.
På tröskeln till revolutionen i SI-systemet
De viktigaste tekniska förändringarna i det internationella systemet med enheter av fysiska storheter genomförs genom omröstning av medlemmar i International Bureau of Weights and Measures vid den årliga konferensen. Om de godkänns träder ändringarna i kraft efter någramånader.
Allt detta är extremt viktigt för forskare vars forskning och experiment kräver yttersta precision i mätningar och formuleringar.
De nya referensstandarderna för 2018 kommer att hjälpa till att uppnå högsta nivå av noggrannhet i alla mätningar, oavsett plats, tid och skala. Och allt detta utan någon förlust i noggrannhet.
Omdefiniering av kvantiteter i SI-systemet
Det gäller fyra av de sju fysiska grundstorheterna. Det beslutades att omdefiniera följande kvantiteter med enheter:
- kilogram (massa) med hjälp av enheterna för Planck-konstanten i uttrycket;
- ampere (ström) med laddningsmätning;
- kelvin (termodynamisk temperatur) med enhetsuttryck med Boltzmann-konstanten;
- mol genom Avogadros konstant (mängd substans).
För de återstående tre kvantiteterna kommer formuleringen av definitionerna att ändras, men deras kärna kommer att förbli oförändrad:
- meter (längd);
- sekund (tid);
- candela (ljusintensitet).
Ändras med förstärkare
Vad är ampere som en enhet av fysiska storheter i det internationella SI-systemet idag, föreslogs redan 1946. Definitionen var bunden till styrkan av strömmen mellan två ledare i ett vakuum på ett avstånd av en meter, och specificerade alla nyanser av denna struktur. Oexakthet och besvärlig mätning är de två huvudsakliga egenskaperna hos denna definition ur dagens synvinkel.
I den nya definitionen är en ampere en elektrisk ström lika medflöde av ett fast antal elektriska laddningar per sekund. Enheten uttrycks i elektronladdningar.
För att bestämma den uppdaterade amperen behövs bara ett verktyg - den så kallade singelelektronpumpen, som kan flytta elektroner.
Ny mullvad och kiselrenhet 99,9998%
Den gamla definitionen av en mullvad är relaterad till mängden materia lika med antalet atomer i en kolisotop med en massa på 0,012 kg.
I den nya versionen är detta mängden av ett ämne som finns i ett exakt definierat antal specificerade strukturella enheter. Dessa enheter uttrycks med Avogadro-konstanten.
Det finns också många bekymmer med Avogadros nummer. För att beräkna det beslutades det att skapa en sfär av kisel-28. Denna isotop av kisel kännetecknas av dess exakta kristallgitter till perfektion. Därför kan antalet atomer i den räknas exakt med hjälp av ett lasersystem som mäter diametern på en sfär.
Man skulle naturligtvis kunna hävda att det inte finns någon grundläggande skillnad mellan en kisel-28-sfär och den nuvarande platina-iridium-legeringen. Både det och andra ämnen förlorar atomer med tiden. Förlorar, eller hur. Men silicon-28 tappar dem i en förutsägbar takt, så justeringar kommer att göras av referensen hela tiden.
Den renaste silicon-28 för sfären erhölls nyligen i USA. Dess renhet är 99,9998%.
Och nu Kelvin
Kelvin är en av enheterna för fysiska storheter i det internationella systemet och används för att mäta nivån på termodynamisk temperatur. "På det gamla sättet" är det lika med 1/273, 16delar av temperaturen på vattnets trippelpunkt. Trippelpunkten av vatten är en extremt intressant komponent. Detta är nivån av temperatur och tryck där vattnet är i tre tillstånd samtidigt - "ånga, is och vatten."
Definitionen av "h altade på båda benen" av följande anledning: värdet av kelvin beror främst på sammansättningen av vatten med ett teoretiskt känt isotopförhållande. Men i praktiken var det omöjligt att få vatten med sådana egenskaper.
Den nya kelvin kommer att definieras enligt följande: en kelvin är lika med en förändring i termisk energi med 1,4 × 10−23j. Enheterna uttrycks med Boltzmann-konstanten. Nu kan temperaturnivån mätas genom att fixera ljudhastigheten i gasklotet.
Kilogram utan standard
Vi vet redan att det i Paris finns en standard av platina med iridium, som på något sätt ändrade sin vikt under dess användning inom metrologi och systemet med enheter av fysiska storheter.
Den nya definitionen av kilogram är: Ett kilogram uttrycks som Plancks konstant dividerat med 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Mätning av massa kan nu göras på "watt"-vågen. Låt inte namnet lura dig, det här är inte den vanliga vågen, utan elektricitet, som räcker för att lyfta ett föremål som ligger på andra sidan vågen.
Förändringar i principerna för att konstruera enheter av fysiska storheter och deras system som helhet behövs, först och främst, inom vetenskapsteoretiska områden. De viktigaste faktorerna i det uppdaterade systemetär nu naturliga konstanter.
Detta är den logiska slutsatsen av många års verksamhet av en internationell grupp seriösa vetenskapsmän vars ansträngningar under lång tid var inriktade på att hitta ideala mått och definitioner av enheter baserade på grundfysikens lagar.
