2018-uosius galima pavadinti lemtingais metrologijos metais, nes tai tikros technologinės revoliucijos metas tarptautinėje fizikinių dydžių vienetų SI sistemoje. Kalbama apie pagrindinių fizikinių dydžių apibrėžimų peržiūrą. Ar kilogramas bulvių prekybos centre dabar svers naujai? C bulvės bus tokios pat. Pasikeis dar kažkas.
Prieš SI sistemą
Senovėje buvo reikalingi bendri svorių ir matmenų standartai. Tačiau bendrosios matavimų taisyklės tapo ypač reikalingos prasidėjus mokslo ir technologijų pažangai. Mokslininkams reikėjo kalbėti bendra kalba: kiek centimetrų yra viena pėda? O kas yra centimetras Prancūzijoje, kai jis nėra tas pats, kas italų kalba?
Prancūziją galima vadinti garbės veterane ir istorinių metrologinių kovų nugalėtoja. Būtent Prancūzijoje 1791 metais matavimo sistema buvo oficialiai patvirtinta ir jųvienetai, o pagrindinių fizikinių dydžių apibrėžimai buvo aprašyti ir patvirtinti kaip valstybiniai dokumentai.
Prancūzai pirmieji suprato, kad fiziniai dydžiai turi būti susieti su gamtos objektais. Pavyzdžiui, vienas metras buvo apibūdintas kaip 1/40 000 000 dienovidinio ilgio iš šiaurės į pietus link pusiaujo. Taigi jis buvo pririštas prie Žemės dydžio.
Vienas gramas taip pat buvo susietas su gamtos reiškiniais: jis buvo apibrėžiamas kaip vandens masė kubiniame centimetre, kai temperatūra artima nuliui (ledo tirpimas).
Tačiau, kaip paaiškėjo, Žemė visai nėra tobulas rutulys, o kube esantis vanduo gali turėti įvairių savybių, jei jame yra priemaišų. Todėl šių dydžių dydžiai skirtingose planetos dalyse šiek tiek skyrėsi.
XIX amžiaus pradžioje vokiečiai, vadovaujami matematiko Karlo Gauso, įsitraukė į verslą. Jis pasiūlė atnaujinti centimetro gramo sekundės matų sistemą, nuo tada metriniai vienetai iškeliavo į pasaulį, mokslą ir buvo pripažinti tarptautinės bendruomenės, susiformavo tarptautinė fizikinių dydžių vienetų sistema.
Buvo nuspręsta dienovidinio ilgį ir vandens kubo masę pakeisti etalonais, kurie buvo saugomi Paryžiaus svorių ir matų biure, o kopijas paskirstant šalims, dalyvaujančioms metrikoje. konvencija.
Pavyzdžiui, „Kilogram“atrodė kaip cilindras, pagamintas iš platinos ir iridžio lydinio, kuris galiausiai taip pat netapo idealiu sprendimu.
Tarptautinė fizikinių dydžių vienetų sistema SI buvo suformuota 1960 m. Iš pradžių buvo šešipagrindiniai dydžiai: metrai ir ilgis, kilogramai ir masė, laikas sekundėmis, srovės stiprumas amperais, termodinaminė temperatūra kelvinais ir šviesos intensyvumas kandelomis. Po dešimties metų prie jų buvo pridėtas dar vienas – medžiagos kiekis, matuojamas moliais.
Svarbu žinoti, kad visi kiti tarptautinės sistemos fizikinių dydžių matavimo vienetai yra laikomi pagrindinių išvestiniais, tai yra, juos galima apskaičiuoti matematiškai naudojant bazinius SI sistemos dydžius.
Toli nuo standartų
Pasirodė, kad fiziniai standartai nėra pati patikimiausia matavimo sistema. Pats kilogramo standartas ir jo kopijos pagal šalį periodiškai lyginami tarpusavyje. Sutaikymai rodo šių standartų masės pokyčius, kurie atsiranda dėl įvairių priežasčių: dulkių tikrinimo metu, sąveikos su stendu ar dar ko nors. Šiuos nemalonius niuansus mokslininkai pastebėjo jau seniai. Atėjo laikas peržiūrėti metrologijos tarptautinės sistemos fizikinių dydžių vienetų parametrus.
Todėl pamažu keitėsi kai kurie dydžių apibrėžimai: mokslininkai bandė išsisukti nuo fizikinių standartų, kurie laikui bėgant vienaip ar kitaip keitė savo parametrus. Geriausias būdas yra nustatyti kiekius pagal nekintamas savybes, tokias kaip šviesos greitis arba atomų struktūros pokyčiai.
Revoliucijos SI sistemoje išvakarėse
Pagrindiniai technologiniai pokyčiai tarptautinėje fizikinių dydžių vienetų sistemoje vykdomi Tarptautinio svorių ir matų biuro narių balsavimu kasmetinėje konferencijoje. Patvirtinus pakeitimai įsigalios po keliųmėnesių.
Visa tai nepaprastai svarbu mokslininkams, kurių tyrimams ir eksperimentams reikalingas didžiausias matavimų ir formulių tikslumas.
Nauji 2018 m. etaloniniai standartai padės pasiekti aukščiausią tikslumo lygį atliekant bet kokius matavimus bet kurioje vietoje, laiku ir mastu. Ir visa tai neprarandant tikslumo.
Dydžių apibrėžimas SI sistemoje iš naujo
Tai susiję su keturiais iš septynių pagrindinių fizinių dydžių. Buvo nuspręsta iš naujo apibrėžti šiuos kiekius vienetais:
- kilogramas (masė), naudojant Planko konstantos vienetus išraiškoje;
- amperas (srovė) su įkrovos matavimu;
- kelvinas (termodinaminė temperatūra) su vieneto išraiška naudojant Boltzmanno konstantą;
- molis per Avogadro konstantą (medžiagos kiekį).
Likusių trijų dydžių apibrėžimų formuluotės bus pakeistos, tačiau jų esmė išliks nepakitusi:
- metras (ilgis);
- sekundė (laikas);
- kandela (šviesos intensyvumas).
Pakeitimai naudojant stiprintuvą
Kas šiandien yra amperas kaip fizikinių dydžių vienetas tarptautinėje SI sistemoje, buvo pasiūlyta dar 1946 m. Apibrėžimas buvo susietas su srovės stiprumu tarp dviejų laidininkų vakuume vieno metro atstumu, nurodant visus šios konstrukcijos niuansus. Netikslumas ir sudėtingas matavimas yra dvi pagrindinės šio apibrėžimo ypatybės šiandienos požiūriu.
Naujajame apibrėžime amperas yra elektros srovė, lygifiksuoto skaičiaus elektros krūvių srautas per sekundę. Vienetas išreiškiamas elektronų krūviais.
Norint nustatyti atnaujintą amperą, reikia tik vieno įrankio - vadinamojo vieno elektrono siurblio, kuris gali perkelti elektronus.
Nauji apgamai ir silicio grynumas 99,9998 %
Senasis molio apibrėžimas yra susijęs su medžiagos kiekiu, lygiu atomų skaičiui anglies izotope, kurio masė 0,012 kg.
Naujoje versijoje tai yra medžiagos kiekis, kuris yra tiksliai apibrėžtame nurodytų struktūrinių vienetų skaičiuje. Šie vienetai išreiškiami naudojant Avogadro konstantą.
Dėl Avogadro numerio taip pat daug rūpesčių. Jai apskaičiuoti buvo nuspręsta sukurti silicio-28 sferą. Šis silicio izotopas išsiskiria tikslia kristaline gardele iki tobulumo. Todėl atomų skaičių jame galima tiksliai suskaičiuoti naudojant lazerinę sistemą, kuri matuoja rutulio skersmenį.
Žinoma, galima ginčytis, kad nėra esminio skirtumo tarp silicio-28 sferos ir dabartinio platinos ir iridžio lydinio. Ir ta, ir kita medžiaga laikui bėgant praranda atomus. Pralaimi, tiesa. Tačiau silicio-28 praranda juos nuspėjamu greičiu, todėl nuoroda bus nuolat koreguojama.
Gryniausias sferai skirtas silicis-28 neseniai buvo gautas JAV. Jo grynumas yra 99,9998%.
O dabar Kelvinas
Kelvinas yra vienas iš fizikinių dydžių vienetų tarptautinėje sistemoje ir naudojamas termodinaminės temperatūros lygiui matuoti. „Senuoju būdu“yra lygus 1/273, 16vandens trigubo taško temperatūros dalys. Trigubas vandens taškas yra nepaprastai įdomus komponentas. Tai temperatūros ir slėgio lygis, kai vanduo vienu metu būna trijų būsenų – „garai, ledas ir vanduo“.
Sąvoka „šlubuoja ant abiejų kojų“apibrėžiama dėl šios priežasties: kelvino vertė visų pirma priklauso nuo vandens sudėties su teoriškai žinomu izotopų santykiu. Tačiau praktiškai tokių savybių vandens gauti buvo neįmanoma.
Naujasis kelvinas bus apibrėžtas taip: vienas kelvinas yra lygus šiluminės energijos pokyčiui 1,4 × 10−23j. Vienetai išreiškiami naudojant Boltzmanno konstantą. Dabar temperatūros lygį galima išmatuoti fiksuojant garso greitį dujų sferoje.
Kilogramas be standarto
Mes jau žinome, kad Paryžiuje yra platinos su iridžiu standartas, kuris kažkaip pakeitė savo svorį naudojant metrologijoje ir fizikinių dydžių vienetų sistemoje.
Naujasis kilogramo apibrėžimas yra toks: vienas kilogramas išreiškiamas Planko konstanta, padalyta iš 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Dabar masę galima išmatuoti „vatų“svarstyklėmis. Tegul pavadinimas jūsų neapgauna, tai ne įprastos svarstyklės, o elektros energija, kurios užtenka pakelti daiktą, gulintį kitoje svarstyklių pusėje.
Fizikinių dydžių vienetų ir jų sistemos kaip visumos konstravimo principų pokyčiai reikalingi, visų pirma, teorinėse mokslo srityse. Pagrindiniai veiksniai atnaujintoje sistemojedabar yra natūralios konstantos.
Tai yra logiška daugelio metų tarptautinės rimtų mokslininkų grupės veiklos išvada, kurios pastangos ilgą laiką buvo nukreiptos į idealius matavimus ir vienetų apibrėžimus, pagrįstus fundamentaliosios fizikos dėsniais.
