2018 kan kalles et skjebnesvangert år i metrologi, fordi dette er tiden for en virkelig teknologisk revolusjon i det internasjonale systemet av enheter av fysiske størrelser SI. Det handler om å revidere definisjonene av de viktigste fysiske størrelsene. Vil en kilo poteter i supermarkedet nå veie på en ny måte? C poteter vil være det samme. Noe annet vil endre seg.
Før SI-systemet
Felles standarder i vekt og mål var nødvendig i gamle tider. Men de generelle reglene for målinger ble spesielt nødvendige med fremkomsten av vitenskapelig og teknologisk fremgang. Forskere trengte å snakke på et felles språk: en fot er hvor mange centimeter? Og hva er en centimeter i Frankrike når det ikke er det samme som italiensk?
Frankrike kan kalles en æresveteran og vinner av historiske metrologiske kamper. Det var i Frankrike i 1791 at målesystemet ble offisielt godkjent og deresenheter, og definisjonene av de viktigste fysiske størrelsene ble beskrevet og godkjent som statsdokumenter.
Franskmennene var de første som forsto at fysiske mengder burde være knyttet til naturlige gjenstander. For eksempel har én meter blitt beskrevet som 1/40 000 000 av meridianlengden fra nord til sør mot ekvator. Han var derfor bundet til jordens størrelse.
Ett gram har også vært knyttet til naturfenomener: det ble definert som massen av vann i en kubikkcentimeter ved et temperaturnivå nær null (issmelting).
Men, som det viste seg, er ikke jorden en perfekt ball i det hele tatt, og vann i en kube kan ha en rekke egenskaper hvis det inneholder urenheter. Derfor skilte størrelsene på disse mengdene i forskjellige deler av planeten seg litt fra hverandre.
På begynnelsen av 1800-tallet gikk tyskerne, ledet av matematikeren Karl Gauss, inn i virksomheten. Han foreslo å oppdatere målesystemet for centimeter-gram-sekund, og siden den gang har metriske enheter gått inn i verden, vitenskap og blitt anerkjent av det internasjonale samfunnet, et internasjon alt system med enheter av fysiske mengder har blitt dannet.
Det ble besluttet å erstatte lengden på meridianen og massen til en vannkube med standardene som ble lagret i Bureau of Weights and Measures i Paris, med distribusjon av kopier til landene som deltar i metrikken stevne.
Kilogram så for eksempel ut som en sylinder laget av en legering av platina og iridium, som til slutt heller ikke ble en ideell løsning.
Det internasjonale systemet med enheter av fysiske mengder SI ble dannet i 1960. Først inkluderte det seksgrunnstørrelser: meter og lengde, kilogram og masse, tid i sekunder, strømstyrke i ampere, termodynamisk temperatur i kelvin og lysstyrke i candela. Ti år senere ble en til lagt til dem - mengden av et stoff, målt i mol.
Det er viktig å vite at alle andre måleenheter for de fysiske størrelsene i det internasjonale systemet regnes som derivater av de grunnleggende, det vil si at de kan beregnes matematisk ved å bruke grunnmengdene til SI-systemet.
Away from the standards
Fysiske standarder viste seg å ikke være det mest pålitelige målesystemet. Selve kilogramstandarden og dens kopier etter land sammenlignes med jevne mellomrom. Avstemminger viser endringer i massene til disse standardene, som oppstår av ulike årsaker: støv under verifisering, interaksjon med stativet eller noe annet. Forskere har lagt merke til disse ubehagelige nyansene i lang tid. Tiden er inne for å revidere parametrene til enhetene for fysiske mengder i det internasjonale metrologisystemet.
Derfor endret noen definisjoner av mengder seg gradvis: Forskere prøvde å komme vekk fra fysiske standarder, som på en eller annen måte endret sine parametere over tid. Den beste måten er å utlede mengder i form av uforanderlige egenskaper, som lysets hastighet eller endringer i strukturen til atomer.
På tampen av revolusjonen i SI-systemet
De viktigste teknologiske endringene i det internasjonale systemet med enheter av fysiske mengder gjennomføres gjennom avstemninger av medlemmer av International Bureau of Weights and Measures på den årlige konferansen. Hvis de blir godkjent, vil endringene tre i kraft etter noen fåmåneder.
Alt dette er ekstremt viktig for forskere hvis forskning og eksperimenter krever den ytterste presisjon i målinger og formuleringer.
De nye referansestandardene for 2018 vil bidra til å oppnå det høyeste nivået av nøyaktighet i enhver måling, uansett sted, tid og skala. Og alt dette uten tap av nøyaktighet.
Redefinering av mengder i SI-systemet
Det dreier seg om fire av de syv operasjonelle fysiske grunnmengdene. Det ble besluttet å omdefinere følgende mengder med enheter:
- kilogram (masse) ved å bruke enhetene til Planck-konstanten i uttrykket;
- ampere (strøm) med ladningsmåling;
- kelvin (termodynamisk temperatur) med enhetsuttrykk ved bruk av Boltzmann-konstanten;
- mol gjennom Avogadros konstant (stoffmengde).
For de resterende tre mengdene vil ordlyden til definisjonene bli endret, men essensen vil forbli uendret:
- meter (lengde);
- sekund (tid);
- candela (lysintensitet).
Changes with Amp
Hva er ampere som en enhet av fysiske mengder i det internasjonale SI-systemet i dag, ble foreslått tilbake i 1946. Definisjonen var knyttet til styrken til strømmen mellom to ledere i et vakuum i en avstand på en meter, og spesifiserte alle nyansene til denne strukturen. Unøyaktighet og tungvint måling er de to hovedkarakteristikkene ved denne definisjonen fra dagens synspunkt.
I den nye definisjonen er en ampere en elektrisk strøm likflyt av et fast antall elektriske ladninger per sekund. Enheten uttrykkes i elektronladninger.
For å bestemme den oppdaterte amperen, trengs bare ett verktøy - den såk alte enkeltelektronpumpen, som er i stand til å flytte elektroner.
Ny føflekk og silisiumrenhet 99,9998%
Den gamle definisjonen av en føflekk er relatert til mengden materie lik antall atomer i en karbonisotop med en masse på 0,012 kg.
I den nye versjonen er dette mengden av et stoff som finnes i et nøyaktig definert antall spesifiserte strukturelle enheter. Disse enhetene uttrykkes med Avogadro-konstanten.
Det er også mange bekymringer med Avogadros nummer. For å beregne det, ble det besluttet å lage en kule av silisium-28. Denne isotopen av silisium utmerker seg ved sitt presise krystallgitter til perfeksjon. Derfor kan antallet atomer i den telles nøyaktig ved hjelp av et lasersystem som måler diameteren til en kule.
Man kan selvfølgelig hevde at det ikke er noen grunnleggende forskjell mellom en silisium-28-kule og den nåværende platina-iridium-legeringen. Både det og andre stoffer mister atomer over tid. Taper, ikke sant. Men silisium-28 mister dem i en forutsigbar hastighet, så justeringer vil bli gjort til referansen hele tiden.
Den reneste silisium-28 for sfæren ble nylig anskaffet i USA. Renheten er 99,9998%.
Og nå Kelvin
Kelvin er en av enhetene for fysiske størrelser i det internasjonale systemet og brukes til å måle nivået på termodynamisk temperatur. "På den gamle måten" er det lik 1/273, 16deler av temperaturen til trippelpunktet til vann. Trippelpunktet for vann er en ekstremt interessant komponent. Dette er nivået av temperatur og trykk der vannet er i tre tilstander samtidig – «damp, is og vann».
Definisjonen av "h altet på begge beina" av følgende grunn: verdien av kelvin avhenger først og fremst av sammensetningen av vann med et teoretisk kjent isotopforhold. Men i praksis var det umulig å få tak i vann med slike egenskaper.
Den nye kelvin vil bli definert som følger: en kelvin er lik en endring i termisk energi med 1,4 × 10−23j. Enhetene uttrykkes ved hjelp av Boltzmann-konstanten. Nå kan temperaturnivået måles ved å fastsette lydhastigheten i gasskulen.
Kilogram uten standard
Vi vet allerede at i Paris er det en standard av platina med iridium, som på en eller annen måte endret vekt under bruken i metrologi og systemet med enheter av fysiske mengder.
Den nye definisjonen av kilogram er: Ett kilogram uttrykkes som Plancks konstant delt på 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Måling av masse kan nå gjøres på "watt"-skalaen. Ikke la navnet lure deg, dette er ikke de vanlige vektene, men elektrisitet, som er nok til å løfte en gjenstand som ligger på den andre siden av vekten.
Endringer i prinsippene for å konstruere enheter av fysiske størrelser og deres system som helhet er nødvendig, først av alt, innen vitenskapsteoretiske felt. Hovedfaktorene i det oppdaterte systemeter nå naturlige konstanter.
Dette er den logiske konklusjonen av mange års aktivitet til en internasjonal gruppe seriøse forskere hvis innsats i lang tid var rettet mot å finne ideelle målinger og definisjoner av enheter basert på grunnleggende fysikks lover.
