2018. gadu var saukt par liktenīgu metroloģijā, jo šis ir īstas tehnoloģiskas revolūcijas laiks starptautiskajā fizisko lielumu mērvienību sistēmā SI. Runa ir par galveno fizisko lielumu definīciju pārskatīšanu. Vai kilograms kartupeļu lielveikalā tagad svērs jaunā veidā? C kartupeļi būs tādi paši. Mainīsies kaut kas cits.
Pirms SI sistēmas
Senos laikos bija vajadzīgi vienoti svaru un mēru standarti. Bet vispārējie mērījumu noteikumi kļuva īpaši nepieciešami, iestājoties zinātnes un tehnoloģiju progresam. Zinātniekiem vajadzēja runāt kopīgā valodā: cik centimetru ir viena pēda? Un kas ir centimetrs Francijā, ja tas nav tas pats, kas itāļu valodā?
Franciju var saukt par goda veterānu un vēsturisko metroloģisko cīņu uzvarētāju. Tieši Francijā 1791. gadā mērīšanas sistēma tika oficiāli apstiprināta un tovienības, un galveno fizisko lielumu definīcijas tika aprakstītas un apstiprinātas kā valsts dokumenti.
Franči bija pirmie, kas saprata, ka fiziski lielumi ir jāsaista ar dabas objektiem. Piemēram, viens metrs ir aprakstīts kā 1/40 000 000 no meridiāna garuma no ziemeļiem uz dienvidiem virzienā uz ekvatoru. Tādējādi viņš bija piesaistīts Zemes izmēram.
Viens grams ir saistīts arī ar dabas parādībām: tā tika definēta kā ūdens masa kubikcentimetrā nullei tuvu temperatūras līmenī (ledus kušana).
Bet, kā izrādījās, Zeme nemaz nav ideāla bumba, un ūdenim kubā var būt dažādas īpašības, ja tajā ir piemaisījumi. Tāpēc šo daudzumu izmēri dažādās planētas daļās nedaudz atšķīrās viens no otra.
19. gadsimta sākumā vācieši matemātiķa Karla Gausa vadībā ienāca biznesā. Viņš ierosināja atjaunināt centimetru-gram-sekundes mērvienību sistēmu, un kopš tā laika metriskās mērvienības ir nonākušas pasaulē, zinātnē un ir atzinušas starptautiskās sabiedrības, ir izveidojusies starptautiska fizisko lielumu vienību sistēma.
Tika nolemts meridiāna garumu un ūdens kuba masu aizstāt ar etaloniem, kas tika glabāti Svaru un mēru birojā Parīzē, izplatot kopijas valstīm, kas piedalās metrikā. konvencija.
Kilograms, piemēram, izskatījās kā cilindrs, kas izgatavots no platīna un irīdija sakausējuma, kas galu galā arī nekļuva par ideālu risinājumu.
Starptautiskā fizisko lielumu vienību sistēma SI tika izveidota 1960. gadā. Sākumā tas ietvēra sešuspamatlielumi: metri un garums, kilogrami un masa, laiks sekundēs, strāvas stiprums ampēros, termodinamiskā temperatūra kelvinos un gaismas intensitāte kandelās. Pēc desmit gadiem tiem pievienoja vēl vienu - vielas daudzumu, mērot molos.
Ir svarīgi zināt, ka visas pārējās starptautiskās sistēmas fizisko lielumu mērvienības tiek uzskatītas par pamatlielumu atvasinājumiem, tas ir, tās var aprēķināt matemātiski, izmantojot SI sistēmas pamatlielumus.
Tālāk no standartiem
Izrādījās, ka fiziskie standarti nav tā uzticamākā mērīšanas sistēma. Pats kilogramu standarts un tā kopijas pa valstīm periodiski tiek salīdzinātas savā starpā. Saskaņojumi parāda izmaiņas šo standartu masās, kas rodas dažādu iemeslu dēļ: putekļi verifikācijas laikā, mijiedarbība ar stendu vai kaut kas cits. Zinātnieki šīs nepatīkamās nianses ir pamanījuši jau ilgu laiku. Ir pienācis laiks pārskatīt starptautiskās sistēmas fizikālo lielumu vienību parametrus metroloģijā.
Tādēļ dažas lielumu definīcijas pakāpeniski mainījās: zinātnieki mēģināja atrauties no fizikālajiem standartiem, kas laika gaitā vienā vai otrā veidā mainīja savus parametrus. Labākais veids ir iegūt lielumus, ņemot vērā nemainīgās īpašības, piemēram, gaismas ātrumu vai atomu struktūras izmaiņas.
Revolūcijas priekšvakarā SI sistēmā
Galvenās tehnoloģiskās izmaiņas starptautiskajā fizisko lielumu vienību sistēmā tiek veiktas, Starptautiskā svaru un mēru biroja biedru balsojumā ikgadējā konferencē. Ja izmaiņas tiks apstiprinātas, tās stāsies spēkā pēc dažāmmēneši.
Tas viss ir ārkārtīgi svarīgi zinātniekiem, kuru pētījumi un eksperimenti prasa vislielāko mērījumu un formulējumu precizitāti.
Jaunie 2018. gada atsauces standarti palīdzēs sasniegt augstāko precizitātes līmeni jebkurā mērījumā jebkurā vietā, laikā un mērogā. Un tas viss, nezaudējot precizitāti.
Diverumu pārdefinēšana SI sistēmā
Tas attiecas uz četriem no septiņiem darbības pamatlielumiem. Tika nolemts atkārtoti definēt šādus daudzumus ar vienībām:
- kilograms (masa), izmantojot Planka konstantes vienības izteiksmē;
- ampēri (strāva) ar uzlādes mērīšanu;
- kelvins (termodinamiskā temperatūra) ar vienības izteiksmi, izmantojot Bolcmana konstanti;
- mols caur Avogadro konstanti (vielas daudzums).
Pārējiem trim daudzumiem definīciju formulējumi tiks mainīti, bet to būtība paliks nemainīga:
- metrs (garums);
- sekunde (laiks);
- kandela (gaismas intensitāte).
Izmaiņas ar pastiprinātāju
Kas mūsdienās ir ampērs kā fizisko lielumu vienība starptautiskajā SI sistēmā, tika ierosināts 1946. gadā. Definīcija tika saistīta ar strāvas stiprumu starp diviem vadītājiem vakuumā viena metra attālumā, norādot visas šīs struktūras nianses. No šodienas viedokļa šīs definīcijas divas galvenās iezīmes ir neprecizitāte un apgrūtinoši mērījumi.
Jaunajā definīcijā ampērs ir elektriskā strāva, kas vienāda arfiksēta skaita elektrisko lādiņu plūsma sekundē. Mērvienība ir izteikta elektronu lādiņos.
Lai noteiktu atjaunināto ampēru, ir nepieciešams tikai viens instruments - tā sauktais viena elektrona sūknis, kas spēj pārvietot elektronus.
Jauna molu un silīcija tīrība 99,9998%
Vecā mola definīcija ir saistīta ar vielas daudzumu, kas vienāds ar atomu skaitu oglekļa izotopā ar masu 0,012 kg.
Jaunajā versijā tas ir vielas daudzums, kas ietverts precīzi noteiktā skaitā norādīto struktūrvienību. Šīs vienības ir izteiktas, izmantojot Avogadro konstanti.
Ar Avogadro numuru ir arī daudz raižu. Lai to aprēķinātu, tika nolemts izveidot sfēru no silīcija-28. Šis silīcija izotops izceļas ar precīzo kristālisko režģi līdz pilnībai. Tāpēc atomu skaitu tajā var precīzi saskaitīt, izmantojot lāzersistēmu, kas mēra sfēras diametru.
Varētu, protams, iebilst, ka nav būtiskas atšķirības starp silīcija-28 sfēru un pašreizējo platīna-irīdija sakausējumu. Gan tā, gan citas vielas ar laiku zaudē atomus. Zaudē, pareizi. Taču silicon-28 tos zaudē paredzamā ātrumā, tāpēc atsauce tiks visu laiku pielāgota.
Tīrākais sfērai paredzēts silīcijs-28 nesen tika iegūts ASV. Tā tīrība ir 99,9998%.
Un tagad Kelvins
Kelvins ir viena no fizikālo lielumu vienībām starptautiskajā sistēmā un tiek izmantota termodinamiskās temperatūras līmeņa mērīšanai. "Vecajā veidā" tas ir vienāds ar 1/273, 16ūdens trīskāršā punkta temperatūras daļas. Trīskāršais ūdens punkts ir ārkārtīgi interesants komponents. Šis ir temperatūras un spiediena līmenis, kurā ūdens atrodas trīs stāvokļos vienlaikus - "tvaiks, ledus un ūdens".
Definīcija "klibo uz abām kājām" šāda iemesla dēļ: kelvina vērtība galvenokārt ir atkarīga no ūdens sastāva ar teorētiski zināmu izotopu attiecību. Taču praksē nebija iespējams iegūt ūdeni ar šādām īpašībām.
Jaunais kelvins tiks definēts šādi: viens kelvins ir vienāds ar siltumenerģijas izmaiņām par 1,4 × 10−23j. Mērvienības ir izteiktas, izmantojot Bolcmana konstanti. Tagad temperatūras līmeni var izmērīt, fiksējot skaņas ātrumu gāzes sfērā.
Kilograms bez standarta
Mēs jau zinām, ka Parīzē pastāv platīna etalons ar irīdiju, kas kaut kādā veidā mainīja savu svaru metroloģijā un fizisko lielumu mērvienību sistēmā.
Jaunā kilograma definīcija ir: vienu kilogramu izsaka kā Planka konstanti, dalītu ar 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Tagad masas mērīšanu var veikt uz "vatu" skalām. Neļaujiet vārdam jūs maldināt, tie nav parastie svari, bet gan elektrība, ar kuru pietiek, lai paceltu priekšmetu, kas atrodas svaru otrā pusē.
Izmaiņas fizikālo lielumu vienību konstruēšanas principos un to sistēmā kopumā nepieciešamas, pirmkārt, zinātnes teorētiskajās jomās. Galvenie faktori atjauninātajā sistēmātagad ir dabiskas konstantes.
Tas ir loģisks secinājums par daudzu gadu darbību, ko veikusi starptautiska nopietnu zinātnieku grupa, kuras centieni ilgu laiku bija vērsti uz ideālu mērījumu un vienību definīciju atrašanu, pamatojoties uz fundamentālās fizikas likumiem.
