2018 voidaan kutsua kohtalokkaaksi vuodeksi metrologiassa, koska tämä on todellisen teknologisen vallankumouksen aika kansainvälisessä fyysisten suureiden yksikköjärjestelmässä SI. Kyse on tärkeimpien fyysisten suureiden määritelmien tarkistamisesta. Painaako kilo perunaa supermarketissa nyt uudella tavalla? C-perunat ovat samat. Jotain muuta tulee muuttumaan.
Ennen SI-järjestelmää
Yhteisiä painoja ja mittoja koskevia standardeja tarvittiin muinaisina aikoina. Mutta yleiset mittaussäännöt tulivat erityisen tarpeellisiksi tieteen ja tekniikan kehityksen myötä. Tiedemiesten piti puhua yhteisellä kielellä: montako senttimetriä on yksi jalka? Ja mikä on senttimetri Ranskassa, kun se ei ole sama kuin italialainen?
Ranskaa voidaan kutsua kunniaveteraaniksi ja historiallisten metrologisten taisteluiden voittajaksi. Se oli Ranskassa vuonna 1791, että mittausjärjestelmä hyväksyttiin virallisesti ja heidänyksiköt ja tärkeimpien fyysisten suureiden määritelmät kuvattiin ja vahvistettiin v altion asiakirjoiksi.
Ranskalaiset ymmärsivät ensimmäisinä, että fyysiset suuret on sidottava luonnon esineisiin. Esimerkiksi yksi metri on kuvattu 1/40 000 000 pituuspiirin pituudesta pohjoisesta etelään päiväntasaajaa kohti. Hän oli siis sidottu maan kokoon.
Yksi gramma on myös sidottu luonnonilmiöihin: se määriteltiin veden massaksi kuutiosenttimetrissä lähellä nollaa (jään sulaminen).
Mutta kuten kävi ilmi, maapallo ei ole ollenkaan täydellinen pallo, ja kuutiossa olevalla vedellä voi olla erilaisia ominaisuuksia, jos se sisältää epäpuhtauksia. Siksi näiden suureiden koot planeetan eri osissa erosivat hieman toisistaan.
1800-luvun alussa saksalaiset astuivat liikkeelle matemaatikko Karl Gaussin johdolla. Hän ehdotti senttimetrigramma-sekunti-mittausjärjestelmän päivittämistä, ja siitä lähtien metriset yksiköt ovat menneet maailmaan, tieteeseen ja kansainvälisen yhteisön tunnustamana, on muodostunut kansainvälinen fysikaalisten suureiden yksikköjärjestelmä.
Vesikuution pituuspiirin pituus ja massa päätettiin korvata Pariisin paino- ja mittatoimistoon tallennetuilla standardeilla, ja kopiot jaetaan metriikkaan osallistuville maille. sopimus.
Kilogrammi esimerkiksi näytti platinan ja iridiumin seoksesta tehdyltä sylinteriltä, josta ei lopulta tullutkaan ihanteellinen ratkaisu.
Kansainvälinen fysikaalisten suureiden yksikköjärjestelmä SI muodostettiin vuonna 1960. Aluksi se sisälsi kuusiperussuureet: metrit ja pituus, kilot ja massa, aika sekunteina, virran voimakkuus ampeereina, termodynaaminen lämpötila kelvineinä ja valovoima kandeloissa. Kymmenen vuotta myöhemmin niihin lisättiin vielä yksi - aineen määrä mooliina mitattuna.
On tärkeää tietää, että kaikki muut kansainvälisen järjestelmän fyysisten suureiden mittayksiköt katsotaan perussuureiden johdannaisiksi, eli ne voidaan laskea matemaattisesti SI-järjestelmän perussuureiden avulla.
Pois standardeista
Fysikaaliset standardit eivät osoittautuneet luotettavimmaksi mittausjärjestelmäksi. Itse kilostandardia ja sen kopioita maittain verrataan ajoittain toisiinsa. Täsmäykset osoittavat näiden standardien massojen muutoksia, jotka johtuvat useista syistä: pölystä todentamisen aikana, vuorovaikutuksesta telineen kanssa tai jostain muusta. Tiedemiehet ovat huomanneet nämä epämiellyttävät vivahteet jo pitkään. On tullut aika tarkistaa metrologian kansainvälisen järjestelmän fyysisten suureiden yksiköiden parametrit.
Siksi jotkin määrien määritelmät muuttuivat vähitellen: tiedemiehet yrittivät päästä eroon fysikaalisista standardeista, jotka tavalla tai toisella muuttivat parametrejaan ajan myötä. Paras tapa on johtaa suureet muuttumattomien ominaisuuksien, kuten valonnopeuden tai atomien rakenteen muutosten perusteella.
SI-järjestelmän vallankumouksen kynnyksellä
Tärkeimmät tekniset muutokset kansainvälisessä fysikaalisten määrien yksikköjärjestelmässä toteutetaan Kansainvälisen paino- ja mittatoimiston jäsenten äänestämällä vuosikonferenssissa. Jos muutokset hyväksytään, ne astuvat voimaan muutaman kerrankuukautta.
Kaikki tämä on erittäin tärkeää tutkijoille, joiden tutkimukset ja kokeet vaativat äärimmäistä tarkkuutta mittauksissa ja formulaatioissa.
Uudet vuoden 2018 vertailustandardit auttavat saavuttamaan korkeimman tarkkuuden kaikissa mittauksissa missä tahansa paikassa, aikaan ja mittakaavassa. Ja kaikki tämä ilman tarkkuuden menetystä.
Suureiden uudelleenmäärittely SI-järjestelmässä
Se koskee neljää seitsemästä toiminnallisesta fyysisestä perussuureesta. Seuraavat suureet päätettiin määritellä uudelleen yksiköillä:
- kilogramma (massa) käyttämällä lausekkeen Planck-vakion yksiköitä;
- ampeeri (virta) latausmittauksella;
- kelvin (termodynaaminen lämpötila) yksikkölausekkeella Boltzmannin vakiolla;
- mooli Avogadron vakion kautta (aineen määrä).
Muiden kolmen määrän os alta määritelmien sanamuotoa muutetaan, mutta niiden olemus säilyy ennallaan:
- metri (pituus);
- sekunti (aika);
- kandela (valon voimakkuus).
Muutoksia vahvistimella
Mikä on ampeeri fysikaalisten suureiden yksikkönä kansainvälisessä SI-järjestelmässä nykyään, ehdotettiin jo vuonna 1946. Määritelmä sidottiin kahden johtimen välisen virran voimakkuuteen tyhjiössä metrin etäisyydellä, ja täsmensi tämän rakenteen kaikki vivahteet. Epätarkkuus ja hankala mittaus ovat tämän määritelmän kaksi pääpiirrettä nykypäivän näkökulmasta.
Uudessa määritelmässä ampeeri on yhtä suuri kuin sähkövirtakiinteän määrän sähkövarauksia sekunnissa. Yksikkö ilmaistaan elektronivarauksina.
Päivitetyn ampeerin määrittämiseen tarvitaan vain yksi työkalu - niin sanottu yksielektronipumppu, joka pystyy liikuttamaan elektroneja.
Uusi mooli ja piin puhtaus 99,9998 %
Moolien vanha määritelmä liittyy aineen määrään, joka on yhtä suuri kuin atomien lukumäärä hiili-isotoopissa, jonka massa on 0,012 kg.
Uudessa versiossa tämä on aineen määrä, joka sisältyy tarkasti määriteltyyn määrään määritettyjä rakenneyksiköitä. Nämä yksiköt ilmaistaan Avogadro-vakiolla.
Avogadron numeroon liittyy myös monia huolenaiheita. Sen laskemiseksi päätettiin luoda pii-28-pallo. Tämä piin isotooppi erottuu tarkasta kidehilasta täydellisyyteen asti. Siksi siinä olevien atomien määrä voidaan laskea tarkasti laserjärjestelmän avulla, joka mittaa pallon halkaisijan.
Voisi tietysti väittää, ettei pii-28-pallon ja nykyisen platina-iridium-seoksen välillä ole perustavanlaatuista eroa. Sekä tämä että muut aineet menettävät atomeja ajan myötä. Häviä, totta. Silicon-28 menettää niitä kuitenkin ennustettavaa vauhtia, joten viittaukseen tehdään muutoksia koko ajan.
Puhtain pii-28 palloon hankittiin hiljattain Yhdysvalloista. Sen puhtaus on 99,9998%.
Ja nyt Kelvin
Kelvin on yksi fysikaalisten suureiden yksiköistä kansainvälisessä järjestelmässä ja sitä käytetään termodynaamisen lämpötilan tason mittaamiseen. "Vanhalla tavalla" se on yhtä suuri kuin 1/273, 16osia veden kolmoispisteen lämpötilasta. Veden kolmoispiste on erittäin mielenkiintoinen komponentti. Tämä on lämpötilan ja paineen taso, jolla vesi on kolmessa tilassa kerralla - "höyry, jää ja vesi".
Määritelmä "ontui molemmille jaloille" seuraavasta syystä: kelvinin arvo riippuu ensisijaisesti veden koostumuksesta, jonka isotooppisuhde on teoreettisesti tunnettu. Mutta käytännössä oli mahdotonta saada vettä, jolla olisi tällaisia ominaisuuksia.
Uusi kelvin määritellään seuraavasti: yksi kelvin on yhtä suuri kuin lämpöenergian muutos 1,4 × 10−23j. Yksiköt ilmaistaan Boltzmannin vakiolla. Nyt lämpötilatasoa voidaan mitata kiinnittämällä äänen nopeus kaasupalloon.
Kilo ilman standardia
Tiedämme jo, että Pariisissa on standardi platinaa ja iridiumia, joka jotenkin muutti painoaan sen käytön aikana metrologiassa ja fyysisten määrien yksikköjärjestelmässä.
Kilogramman uusi määritelmä on: Yksi kilogramma ilmaistaan Planckin vakiona jaettuna luvulla 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Massan mittaus voidaan nyt tehdä "watti"-asteikolla. Älä anna nimen hämätä, nämä eivät ole tavallisia vaakoja, vaan sähköä, joka riittää nostamaan vaa'an toisella puolella makaavan esineen.
Muutoksia fysikaalisten suureiden yksiköiden ja niiden järjestelmän muodostamisen periaatteisiin kokonaisuutena tarvitaan ennen kaikkea tieteen teoreettisilla aloilla. Tärkeimmät tekijät päivitetyssä järjestelmässäovat nyt luonnollisia vakioita.
Tämä on looginen johtopäätös monivuotisesta toiminnasta, jonka on tehnyt kansainvälistä vakavasti otettavaa tutkijaryhmää, jonka pitkän ajan ponnistelut tähtäsivät ihanteellisten mittausten ja yksiköiden määritelmien löytämiseen perusfysiikan lakeihin perustuen.
