2018 може да се нарече съдбоносна година в метрологията, защото това е времето на истинска технологична революция в международната система от единици за физически величини SI. Става дума за преразглеждане на дефинициите на основните физически величини. Сега килограм картофи в супермаркета ще тежи ли по нов начин? C картофите ще бъдат същите. Нещо друго ще се промени.
Преди системата SI
Общи стандарти за тегла и мерки са били необходими в древни времена. Но общите правила за измервания станаха особено необходими с навлизането на научно-техническия прогрес. Учените трябваше да говорят на общ език: колко сантиметра е един крак? И какво е сантиметър във Франция, когато не е същото като италианския?
Франция може да се нарече почетен ветеран и победител в исторически метрологични битки. Именно във Франция през 1791 г. системата за измерване е официално одобрена и тяхнатаединици, а дефинициите на основните физически величини бяха описани и одобрени като държавни документи.
Французите бяха първите, които разбраха, че физическите величини трябва да бъдат обвързани с природни обекти. Например един метър е описан като 1/40 000 000 от дължината на меридиана от север на юг към екватора. По този начин той беше обвързан с размера на Земята.
Един грам също е свързан с природни феномени: той се определя като масата на водата в кубичен сантиметър при температурно ниво, близко до нула (топене на лед).
Но, както се оказа, Земята изобщо не е перфектна топка и водата в куб може да има различни свойства, ако съдържа примеси. Следователно размерите на тези количества в различните части на планетата се различават леко един от друг.
В началото на 19-ти век германците, водени от математика Карл Гаус, навлизат в бизнеса. Той предложи да се актуализира системата от мерки сантиметър-грам-секунда и оттогава метричните единици отидоха в света, науката и бяха признати от международната общност, се формира международна система от единици за физически величини.
Беше решено да се замени дължината на меридиана и масата на куб вода със стандартите, които се съхраняваха в Бюрото за мерки и теглилки в Париж, с разпространение на копия до страните, участващи в метриката конвенция.
Kilogram, например, изглеждаше като цилиндър от сплав от платина и иридий, който в крайна сметка също не се превърна в идеално решение.
Международната система от единици за физически величини SI е създадена през 1960 г. Първоначално включваше шестосновни величини: метри и дължина, килограми и маса, време в секунди, сила на тока в ампери, термодинамична температура в келвини и интензитет на светлината в кандела. Десет години по-късно към тях се добавя още едно - количеството вещество, измерено в молове.
Важно е да се знае, че всички други мерни единици на физическите величини на международната система се считат за производни на основните, тоест могат да бъдат изчислени математически с помощта на основните величини на системата SI.
Далеч от стандартите
Физическите стандарти се оказаха не най-надеждната система за измерване. Самият стандарт за килограм и неговите копия по държави периодично се сравняват един с друг. Съгласуванията показват промени в масите на тези стандарти, което се случва по различни причини: прах по време на проверка, взаимодействие със стойката или нещо друго. Учените са забелязали тези неприятни нюанси от дълго време. Дошло е времето да се преразгледат параметрите на единиците физически величини на международната система в метрологията.
Следователно някои дефиниции на количествата постепенно се промениха: учените се опитаха да се измъкнат от физическите стандарти, които по един или друг начин променяха параметрите си с течение на времето. Най-добрият начин е да се извеждат количества от гледна точка на неизменни свойства, като скоростта на светлината или промените в структурата на атомите.
В навечерието на революцията в системата SI
Основните технологични промени в международната система от единици за физически величини се извършват чрез гласуване на членовете на Международното бюро за мерки и теглилки на годишната конференция. Ако бъдат одобрени, промените ще влязат в сила след няколкомесеца.
Всичко това е изключително важно за учените, чиито изследвания и експерименти изискват най-голяма прецизност в измерванията и формулировките.
Новите референтни стандарти за 2018 г. ще помогнат за постигане на най-високо ниво на точност при всяко измерване на всяко място, време и мащаб. И всичко това без загуба на точност.
Предефиниране на количествата в системата SI
Това се отнася за четири от седемте действащи основни физически величини. Беше решено да се предефинират следните количества с единици:
- килограм (маса), използвайки единиците на константата на Планк в израза;
- ампер (ток) с измерване на заряда;
- kelvin (термодинамична температура) с единица израз, използваща константата на Болцман;
- мол през константата на Авогадро (количество вещество).
За останалите три количества формулировката на определенията ще бъде променена, но същността им ще остане непроменена:
- метър (дължина);
- секунда (време);
- candela (интензитет на светлината).
Промени с усилвател
Какво е амперът като единица за физически величини в международната система SI днес, беше предложено още през 1946 г. Определението беше обвързано със силата на тока между два проводника във вакуум на разстояние от един метър, уточнявайки всички нюанси на тази структура. Неточността и тромавото измерване са двете основни характеристики на това определение от днешна гледна точка.
В новата дефиниция амперът е електрически ток, равен напоток от фиксиран брой електрически заряди в секунда. Единицата се изразява в заряди на електрони.
За определяне на актуализирания ампер е необходим само един инструмент - така наречената едноелектронна помпа, която е в състояние да движи електрони.
Нова мол и чистота на силиций 99,9998%
Старата дефиниция за мол е свързана с количеството материя, равно на броя на атомите във въглероден изотоп с маса 0,012 kg.
В новата версия това е количеството вещество, което се съдържа в точно определен брой определени структурни единици. Тези единици се изразяват с помощта на константата на Авогадро.
Има и много притеснения с номера на Авогадро. За да се изчисли, беше решено да се създаде сфера от силиций-28. Този изотоп на силиция се отличава със своята прецизна кристална решетка до съвършенство. Следователно броят на атомите в него може да бъде точно преброен с помощта на лазерна система, която измерва диаметъра на сфера.
Може, разбира се, да се твърди, че няма фундаментална разлика между сфера от силиций-28 и настоящата сплав платина-иридий. И това, и другото вещество губи атоми във времето. Губи, нали. Но силиций-28 ги губи с предвидими темпове, така че ще се правят корекции в референтния период през цялото време.
Най-чистият силиций-28 за сферата беше получен наскоро в САЩ. Чистотата му е 99,9998%.
И сега Келвин
Келвин е една от единиците за физически величини в международната система и се използва за измерване на нивото на термодинамичната температура. "По стария начин" е равно на 1/273, 16части от температурата на тройната точка на водата. Тройната точка на водата е изключително интересен компонент. Това е нивото на температура и налягане, при което водата е в три състояния едновременно - „пара, лед и вода.“
Дефиницията за "куцване на двата крака" поради следната причина: стойността на келвин зависи преди всичко от състава на водата с теоретично известно изотопно съотношение. Но на практика беше невъзможно да се получи вода с такива характеристики.
Новият келвин ще бъде дефиниран по следния начин: един келвин е равен на промяна в топлинната енергия с 1,4 × 10−23j. Единиците се изразяват с помощта на константата на Болцман. Сега нивото на температурата може да бъде измерено чрез фиксиране на скоростта на звука в газовата сфера.
Килограм без стандарт
Вече знаем, че в Париж има еталон от платина с иридий, който по някакъв начин промени теглото си по време на използването му в метрологията и системата от единици физически величини.
Новата дефиниция на килограма е: Един килограм се изразява като константа на Планк, разделена на 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Измерването на масата вече може да се извършва по скалите "ват". Не позволявайте на името да ви заблуди, това не са обичайните везни, а електричество, което е достатъчно, за да вдигнете предмет, лежащ от другата страна на везната.
Промени в принципите на конструиране на единици физически величини и тяхната система като цяло са необходими преди всичко в теоретичните области на науката. Основните фактори в актуализираната системавече са естествени константи.
Това е логичното заключение на многогодишната дейност на международна група сериозни учени, чиито усилия дълго време са били насочени към намирането на идеални измервания и дефиниции на единици въз основа на законите на фундаменталната физика..
