Международная система единиц физических величин: понятие физической величины, способы определения
2018 год можно назвать судьбоносным в метрологии, потому что это время настоящей технологической революции в международной системе единиц физических величин СИ. Речь о пересмотре определений главных физических величин. Будет ли теперь килограмм картошки в супермаркете весить по-новому? C картошкой будет по-прежнему. Изменится другое.
Что было до системы СИ
Общие стандарты в мерах и весах понадобились еще в древние времена. Но особенно нужными общие правила измерений стали с вместе с появлением научно-технического прогресса. Ученым нужно было разговаривать на общем языке: один фут – это сколько сантиметров? И что такое сантиметр во Франции, когда он не совпадает с итальянским?
Францию вполне можно назвать почетным ветераном и победителем исторических метрологических баталий. Именно во Франции в 1791 году была официально утверждена система измерений и их единиц, а определения главных физических величин были описаны и завизированы в качестве государственных документов.
Французы первыми поняли, что физические величины должны быть привязаны к природным объектам. Например, один метр был описан как 1/40000000 часть длины меридиана с севера на юг к экватору. Он был привязан, таким образом, к размерам Земли.
Один грамм также привязали к природным явлениям: его определили как массу воды в кубическом сантиметре при уровне температуры, близкой к нулевому (плавления льда).
Но, как оказалось, Земля вовсе не является идеальным шаром, а вода в кубике может иметь самые разные свойства, если в ней есть примеси. Поэтому размеры этих величин в разных точках планеты немного отличались друг от друга.
В начале 19 века в дело вступили немцы во главе с математиком Карлом Гауссом. Он предложил обновить систему мер «сантиметр-грамм-секунда», и с тех пор метрические единицы пошли в мир, науку и были признаны международным сообществом, образовалась международная система единиц физических величин.
Длину меридиана и массу кубика воды решили заменить эталонами, которые хранились в Бюро мер и весов в Париже, с раздачей копий по странам – участницам метрической конвенции.
Килограмм, например, выглядел цилиндром из сплава платины и иридия, что в итоге тоже не стало идеальным решением.
Международная система единиц физических величин SI была образована в 1960 году. Сначала в нее входили шесть основных величин: метры и длина, килограммы и масса, время в секундах, сила тока в амперах, термодинамическая температура в кельвинах и сила света в канделах. Через десять лет к ним добавилась еще одна – количество вещества, измеряемое в молях.
Важно знать, что все остальные единицы измерения физических величин международной системы считаются производными от основных, то есть могут быть вычислены математически с помощью основных величин системы СИ.
Прочь от эталонов
Физические эталоны оказались не самой надежной системой измерений. Сам эталон килограмма и его копии по странам периодически сверяют друг с другом. Сверки показывают изменения масс этих эталонов, что происходит по разным причинам: пыль при поверке, взаимодействие с подставкой или что-то другое. Ученые заметили эти неприятные нюансы давно. Наступило время пересмотра параметров единиц физических величин международной системы в метрологии.
Поэтому некоторые определения величин постепенно менялись: ученые старались уйти от физических эталонов, которые так или иначе со временем меняли свои параметры. Лучшим способом является выведение величин через неизменные свойства, как, например, скорость света или изменения в структуре атомов.
Накануне революции в системе СИ
Принципиальные технологические изменения в международной системе единиц физических величин проводятся через голосование членов Международного бюро мер и весов на годовой конференции. При положительном решении изменения вступают в силу через несколько месяцев.
Все это чрезвычайно важно для ученых, в чьих исследованиях и экспериментах нужна предельная точность измерений и формулировок.
Новые эталоны образца 2018 года помогут достичь высочайшего уровня точности в любых измерениях в любом месте, времени и масштабе. И все это без каких-либо потерь в точности.
Переопределение величин в системе СИ
Оно касается четырех из семи действующих основных физических величин. Было решено переопределить следующие величины с единицами измерений:
- килограмм (масса) с использованием в выражении единиц постоянной Планка;
- ампер (сила тока) с измерением величины заряда;
- кельвин (термодинамическая температура) с выражением единицы с помощью постоянной Больцмана;
- моль через постоянную Авогадро (количество вещества).
В отношении остальных трех величин будет изменена формулировка определений, но их суть останется неизменной:
- метр (длина);
- секунда (время);
- кандела (сила света).
Изменения с ампером
То, что представляет собой ампер как единица физических величин в международной системе СИ сегодня, было предложено еще в 1946 году. Определение было привязано к силе тока между двумя проводниками в вакууме на расстоянии одного метра с уточнением всех нюансов этого сооружения. Неточность и громоздкость измерения – вот две главных характеристики этого определения с сегодняшней точки зрения.
В новом определении ампер – это электрический ток, равный потоку фиксированного числа электрических зарядов в секунду. Единица выражается в зарядах электрона.
Для определения обновленного ампера нужен всего один инструмент – так называемый одноэлектронный насос, который способен перемещать электроны.
Новый моль и чистота кремния 99,9998 %
Старое определение моля связано с количеством вещества, равным числу атомов в изотопе углерода с массой 0,012 кг.
В новой версии это количество вещества, которое содержится в точно определенном количестве специфицированных структурных единиц. Эти единицы выражаются с помощью постоянной Авогадро.
С числом Авогадро тоже немало забот. Для его вычисления было решено создать сферу из кремния-28. Данный изотоп кремния отличается своей точной до идеальности кристаллической решеткой. Поэтому в нем можно точно подсчитать число атомов с помощью лазерной системы, измеряющей диаметр сферы.
Можно, конечно, возразить в том, что нет принципиальной разница между сферой из кремния-28 и нынешним сплавом из платины и иридия. И то, и другое вещество теряет атомы во времени. Теряет, верно. Но кремний-28 теряет их с предсказуемой скоростью, поэтому в эталон будут постоянно вноситься коррективы.
Самый чистый кремний-28 для сферы получили совсем недавно в США. Его чистота составляет 99,9998 %.
А теперь кельвин
Кельвин является одной из единиц физических величин в международной системе и служит для измерения уровня термодинамической температуры. «По-старому» он равен 1/273,16 части температуры тройной точки воды. Тройная точка воды – чрезвычайно интересная составляющая. Это уровень температуры и давления, при котором вода находится сразу в трех состояниях – «пар, лед и вода».
Определение «хромало на обе ноги» по следующей причине: величина кельвина зависит в первую очередь от состава воды с теоретически известным соотношением изотопов. Но на практике получить воду с такими характеристиками было невозможно.
Новый кельвин будет определяться так: один кельвин равен изменению тепловой энергии на 1,4 × 10−23дж. Единицы выражаются с помощью постоянной Больцмана. Теперь уровень температуры можно будет измерять с помощью фиксации скорости звука в газовой сфере.
Килограмм без эталона
Мы уже знаем, что в Париже находится эталон из платины с иридием, который так или иначе изменил свой вес за время использования в метрологии и системе единиц физических величин.
Новое определение килограмма звучит так: один килограмм выражается в величине постоянной Планка, разделенной на 6,63 × 10−34 м2·с−1.
Измерение массы теперь можно производить на «ваттовых» весах. Пусть это название не вводит вас в заблуждение, это не привычные весы, а электроэнергия, которой хватит, чтобы приподнять предмет, лежащий на другой чаше весов.
Изменения в принципах построения единиц физических величин и их системе в целом нужны, прежде всего, в теоретических областях науки. Главными факторами в обновленной системе теперь являются естественные постоянные величины.
Это закономерное завершение многолетней деятельности международной группы серьезных ученых, чьи усилия в течение долгого времени были направлены на поиск идеальных измерений и определений единиц на основе законов фундаментальной физики.