2018 lahko imenujemo usodno leto v meroslovju, saj je to čas prave tehnološke revolucije v mednarodnem sistemu enot fizikalnih veličin SI. Gre za revizijo definicij glavnih fizikalnih veličin. Bo kilogram krompirja v supermarketu zdaj tehtal na nov način? C krompir bo enak. Nekaj drugega se bo spremenilo.
Pred sistemom SI
V starih časih so bili potrebni skupni standardi za uteži in mere. Toda splošna pravila za meritve so postala še posebej potrebna s prihodom znanstvenega in tehnološkega napredka. Znanstveniki so morali govoriti v skupnem jeziku: koliko centimetrov je ena noga? In kaj je centimeter v Franciji, če ni enak italijanskemu?
Francijo lahko imenujemo častni veteran in zmagovalec zgodovinskih meroslovnih bitk. V Franciji je bil leta 1791 uradno odobren merski sistem in njihovenote, definicije glavnih fizičnih veličin pa so bile opisane in potrjene kot državni dokumenti.
Francozi so prvi razumeli, da je treba fizične količine vezati na naravne predmete. Na primer, en meter je bil opisan kot 1/40.000.000 dolžine poldnevnika od severa proti jugu proti ekvatorju. Tako je bil vezan na velikost Zemlje.
En gram je bil vezan tudi na naravne pojave: opredeljen je bil kot masa vode v kubičnem centimetru pri temperaturi blizu nič (taljenje ledu).
Ampak, kot se je izkazalo, Zemlja sploh ni popolna krogla in voda v kocki ima lahko različne lastnosti, če vsebuje nečistoče. Zato so se velikosti teh količin na različnih delih planeta med seboj nekoliko razlikovale.
V začetku 19. stoletja so v posel vstopili Nemci, ki jih vodi matematik Karl Gauss. Predlagal je posodobitev sistema mer centimeter-gram-sekunda in od takrat so metrične enote šle v svet, znanost in jih priznala mednarodna skupnost, oblikoval se je mednarodni sistem enot fizikalnih veličin.
Odločeno je bilo zamenjati dolžino meridiana in maso kocke vode s standardi, ki so bili shranjeni v Uradu za uteži in mere v Parizu, z distribucijo kopij državam, ki sodelujejo pri metriki. konvencija.
Kilogram je na primer izgledal kot valj iz zlitine platine in iridija, ki pa na koncu tudi ni postal idealna rešitev.
Mednarodni sistem enot fizikalnih veličin SI je bil ustanovljen leta 1960. Sprva je vključevalo šestosnovne količine: metri in dolžina, kilogrami in masa, čas v sekundah, jakost toka v amperih, termodinamična temperatura v kelvinih in svetilna jakost v kandelah. Deset let pozneje so jim dodali še eno - količino snovi, merjeno v molih.
Pomembno je vedeti, da se vse druge merske enote fizikalnih veličin mednarodnega sistema štejejo za izpeljanke osnovnih, torej jih je mogoče matematično izračunati z uporabo osnovnih veličin sistema SI.
Proč od standardov
Fizični etaloni se je izkazalo za ne najbolj zanesljiv merilni sistem. Sam standard kilograma in njegove kopije po državah se občasno primerjajo med seboj. Uskladitve kažejo spremembe v množici teh standardov, kar nastane zaradi različnih razlogov: prah med preverjanjem, interakcija s stojalom ali kaj drugega. Znanstveniki že dolgo opazijo te neprijetne nianse. Prišel je čas za revizijo parametrov enot fizičnih veličin mednarodnega sistema meroslovja.
Zato so se nekatere definicije količin postopoma spreminjale: znanstveniki so se skušali umakniti fizičnim standardom, ki so tako ali drugače sčasoma spreminjali svoje parametre. Najboljši način je izpeljati količine v smislu nespremenljivih lastnosti, kot so hitrost svetlobe ali spremembe v strukturi atomov.
Na predvečer revolucije v sistemu SI
Glavne tehnološke spremembe v mednarodnem sistemu enot fizikalnih veličin se izvajajo z glasovanjem članov Mednarodnega urada za uteži in mere na letni konferenci. Če bodo spremembe odobrene, bodo začele veljati po nekaj dnehmesecev.
Vse to je izjemno pomembno za znanstvenike, katerih raziskave in eksperimenti zahtevajo največjo natančnost pri meritvah in formulacijah.
Novi referenčni standardi iz leta 2018 bodo pomagali doseči najvišjo raven natančnosti pri kateri koli meritvi na katerem koli mestu, času in merilu. In vse to brez izgube natančnosti.
Redefiniranje količin v sistemu SI
Zanaša se na štiri od sedmih delujočih osnovnih fizičnih veličin. Odločeno je bilo, da se z enotami na novo definirajo naslednje količine:
- kilogram (masa) z uporabo enot Planckove konstante v izrazu;
- amper (tok) z merjenjem polnjenja;
- kelvin (termodinamična temperatura) z izrazom enote z uporabo Boltzmannove konstante;
- mol skozi Avogadrova konstanta (količina snovi).
Za preostale tri količine se bo besedilo definicij spremenilo, njihovo bistvo pa bo ostalo nespremenjeno:
- meter (dolžina);
- sekunda (čas);
- candela (intenzivnost svetlobe).
Spremembe z ojačevalnikom
Kaj je amper kot enota fizičnih veličin v mednarodnem sistemu SI danes, je bilo predlagano že leta 1946. Definicija je bila vezana na jakost toka med dvema prevodnikoma v vakuumu na razdalji enega metra, pri čemer je bila določena vse nianse te strukture. Nenatančnost in okorno merjenje sta dve glavni značilnosti te definicije z današnjega zornega kota.
V novi definiciji je amper električni tok enakpretok določenega števila električnih nabojev na sekundo. Enota je izražena v nabojih elektronov.
Za določitev posodobljenega ampera je potrebno samo eno orodje - tako imenovana enoelektronska črpalka, ki je sposobna premikati elektrone.
Nov mol in čistost silicija 99,9998%
Stara definicija mola je povezana s količino snovi, ki je enaka številu atomov v ogljikovem izotopu z maso 0,012 kg.
V novi različici je to količina snovi, ki jo vsebuje natančno določeno število določenih strukturnih enot. Te enote so izražene s konstanto Avogadrova.
Z Avogadrovo številko je tudi veliko skrbi. Za izračun je bilo odločeno ustvariti kroglo iz silicija-28. Ta izotop silicija odlikuje njegova natančna kristalna mreža do popolnosti. Zato je mogoče število atomov v njej natančno prešteti z laserskim sistemom, ki meri premer krogle.
Seveda bi lahko trdili, da ni bistvene razlike med kroglo silicija-28 in trenutno zlitino platina-iridij. Tako ta kot druga snov sčasoma izgubita atome. Izgubi, kajne. Toda silicij-28 jih izgublja s predvidljivo hitrostjo, zato se bodo referenca ves čas prilagajala.
Najčistejši silicij-28 za kroglo je bil nedavno pridobljen v ZDA. Njegova čistost je 99,9998%.
In zdaj Kelvin
Kelvin je ena od enot fizikalnih veličin v mednarodnem sistemu in se uporablja za merjenje ravni termodinamične temperature. "Na star način" je enako 1/273, 16delov temperature trojne točke vode. Trojna točka vode je izjemno zanimiva komponenta. To je raven temperature in tlaka, pri kateri je voda v treh stanjih hkrati - "para, led in voda."
Definicija "šepanja na obe nogi" iz naslednjega razloga: vrednost kelvina je odvisna predvsem od sestave vode s teoretično znanim razmerjem izotopov. Toda v praksi je bilo nemogoče dobiti vodo s takšnimi lastnostmi.
Novi kelvin bo definiran na naslednji način: en kelvin je enak spremembi toplotne energije za 1,4 × 10−23j. Enote so izražene z Boltzmannovo konstanto. Sedaj je mogoče izmeriti temperaturo tako, da določite hitrost zvoka v plinski krogli.
Kilogram brez standarda
Vemo že, da v Parizu obstaja standard platine z iridijem, ki je med uporabo v meroslovju in sistemu enot fizikalnih veličin nekako spremenil svojo težo.
Nova definicija kilograma je: En kilogram je izražen kot Planckova konstanta, deljena s 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Meritev mase je zdaj mogoče opraviti na "vatnih" lestvicah. Naj vas ime ne zavede, to niso običajne tehtnice, ampak elektrika, ki je dovolj, da dvignete predmet, ki leži na drugi strani tehtnice.
Spremembe v principih konstruiranja enot fizikalnih veličin in njihovega sistema kot celote so potrebne predvsem na teoretičnih področjih znanosti. Glavni dejavniki v posodobljenem sistemuso zdaj naravne konstante.
To je logičen zaključek dolgoletnega delovanja mednarodne skupine resnih znanstvenikov, katerih prizadevanja so bila dolgo časa usmerjena v iskanje idealnih meritev in definicij enot na podlagi zakonov temeljne fizike..
