Килограмм от постоянной Планка

В повседневной жизни мы часто совершаем достаточно много измерений, не слишком об этом задумываясь. Об этом уже приходилось писать (http://www.zerkalo.az/2013/v-pogone-za-tochnostyu/) в отношении атомных часов и необходимости все более точного определения единицы времени секунды.  И вот теперь дошла очередь и до килограмма.

Великая французская революция принесла с собой и метрическую систему, которая должна была решить две главные проблемы. Во-первых, установить так называемые природные эталоны и поэтому легко воспроизводимые. Во-вторых, установить между единицами кратные соотношения как степени числа 10. В метрической системе было введено две единицы: метр и килограмм.

В качестве эталона метра была предложена одна сорокамиллионная часть парижского меридиана. Уже на этапе воспроизведения эталона метра  французские ученые столкнулись с большими трудностями. Шло роялистское восстание в Вандее на западе Франции и не все пункты меридиана были доступны. Гораздо более сложными были трудности научные. Воспроизводить эталон метра оказалось довольно сложно в разных местах земной поверхности.

С килограммом тоже не все просто. За него был принята масса 1 куб. дм (литра) чистой воды при температуре 0 градусов Цельсия. Получается, что килограмм зависит от химической чистоты воды, изменений ее плотности — максимум при 4 градусах Цельсия, поэтому точность его измерения постоянно изменяется и, что еще важнее, зависит от выбора другой единицы измерения — градуса. Нарушается важнейший принцип построения системы измерения. Основная единица не должна определяться и зависеть от других единиц. Вот почему были изготовлены металлические эталоны метра и килограмма.

В 1932 году великий немецкий математик Карл Гаусс разработал научные основы построения системы единиц измерения. Из нее следовали правила построения и фиксации основных единиц.

Век электричества и атомной энергии обусловил введение новых единиц измерения, которые не всегда согласовывались с ранее введенными в метрической системе. Потребовалась разработка единой системы единиц измерения. Процесс растянулся на долгие годы, и только в 1960 году была принята Международная система единиц, СИ (фр. Le Système International d’Unités, SI).

Основные единицы системы были определены через физические явления и через вычисления по установленным фундаментальным постоянным и формулам физики. И только килограмм был завязан на платино-иридиевый эталон, который хранился в Бюро мер и весов в Севре, пригороде Парижа.

В конце XIX, когда был введен эталон килограмма, было изготовлено 28 копий. В 1889, 1948, 1989 и 2014 годах проводилась их верификация, и было отмечено, что они отличаются от парижского эталона. Более того, сам эталон, несмотря на все принимаемые меры, теряет свою массу из-за испарения металлов. Он потерял 50 мг. Вроде бы не так и много, но для науки это недопустимо.

Интересно, что килограмм единственной из основных единиц системы СИ, которая используется с приставкой кило. Слово во французском языке было образовано от греческих chilioi — тысяча и gramma — маленький вес.

Проблемы точности и воспроизводимости килограмма, а также других основных единиц системы СИ, вызвали острую необходимость в полном объеме ввести их определение на основе неизменяемых физических констант, например, скорости света при максимально точном их измерении и закреплении их значений. К тому же постоянно увеличивающаяся точность измерения не будет приводить к серьезному пересмотру оснований для единиц измерения.

Участники 26-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), которая прошла в Париже, приняли историческое решение о переопределении четырех из семи основных единиц СИ — килограмма — единицы массы, ампера — силы тока, кельвина — термодинамической температуры и моля — количества вещества.

Для определения килограмма используется два фундаментальных физических уравнения, связывающих массу и энергию. Это уравнение Эйнштейна E=mc2   и связь квантового и традиционного понятия энергии через постоянную Планка h и частоту ν, E=hν. В результате некоторых преобразований можно вывести пропорциональность массы и постоянной Планка. Более того, масса будет зависеть только от нее.

Перед тем как перейти к эталону килограмма потребовалось точно измерить постоянную Планка. Эта важная работа была выполнена в трех авторитетных научных учреждениях: Национальном институте стандартов и технологий (NIST, США), Национальном метрологическом институте (PTB, Германия) и Национальном исследовательском совете (NRC, Канада).

Отметим, что в РТВ провели прямые измерения объема и массы шара из монокристалла кремния 28Si, а также плотность упаковки в нем атомов, измеряя таким образом число Авогадро.  Последнее необходимо для определения моля. На данный момент ученые смогли измерить число Авогадро с неопределенностью в 20 миллиардных долей.

Установка, на которой реализуется новый эталон килограмма, называется весы Киббла, в честь английского ученого, создавшего ее в 1975 году.

В этой установке эталоном выступает груз, который уравновешивает силу отталкивания между постоянным магнитом и катушкой, по которой пропускается электрический ток. Другими словами, добиваются равенства электрической и механической сил. Весы Киббла, но в другом режиме, использовались для уточнения постоянной Планка.

Генеральной конференция по мерам и весам утвердила также новое определение единицы силы тока ампера. Теперь она определяется через численное значение электрического заряда.

Единица температуры кельвин теперь определяется через постоянную Больцмана, а моль, как уже было отмечено, через число Авогадро.

Все эти изменения вступят в силу во Всемирный день метрологии 20 мая 2019 года.

Благодаря новым определениям основных единиц СИ, каждая страна может воспроизводить эталонную установку самостоятельно и в любое время, без ограничений, связанных со сверкой с главным эталоном, как в случае с килограммом.

Главной причиной для переопределения основных единиц системы СИ является повышение требований к точности, надежности и безопасности. Материальные эталоны подвержены химическим и физическим изменениям, несмотря на все принимаемые меры. Невозможно отменить испарение металлов или другие сложности. В конце концов, эталоны могут быть банально повреждены, и их воспроизведение означает фактически принятие новой единицы измерения, так как сравнить их не с чем.

Формулирование единиц измерения на основе фундаментальных физических констант означает, что будут использовать абсолютно идентичные значения. Это становится все более важным не только в научных измерениях, но и практической деятельности.

В частности, повышение точности измерения секунды приводит к более точному определению координат, например, в системе GPS и аналогичных. Здесь даже маленькая ошибка дает отклонения на десятки и даже сотни метров. Аналогично и для других единиц. Вот почему ГКМВ постановила начать работу по уточнению определения единицы времени секунды, так как практически все другие единицы через фундаментальные постоянные связаны с измерением времени.

Конечно, большинство людей в практической деятельности никаких изменений не заметят. Гири и растягивающиеся пружины весов все также будут использоваться при различных взвешиваниях. Однако для науки важность реформы единиц измерения трудно переоценить. К тому же все достижения науки очень быстро входят в нашу жизнь, и мы это видим по окружающей обстановке.

Чисто техническим следствием реформы системы СИ станет то, что эталон килограмма, который, вероятно, останется в Бюро мер и весов в Севре, превратится в музейный экспонат.

509 просмотров
| 2018-11-25T15:48:23+00:00 25 ноября 2018, 16:55|1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд6 Звезда7 Звезда8 Звезда9 Звезда10 Звезда (Пока оценок нет) Загрузка...|