2018 možno v metrológii nazvať osudným, pretože je to čas skutočnej technologickej revolúcie v medzinárodnom systéme jednotiek fyzikálnych veličín SI. Ide o revíziu definícií hlavných fyzikálnych veličín. Bude teraz kilogram zemiakov v supermarkete vážiť novým spôsobom? C zemiaky budú rovnaké. Niečo iné sa zmení.
Pred systémom SI
V staroveku boli potrebné spoločné normy pre váhy a miery. Ale všeobecné pravidlá pre merania sa stali obzvlášť potrebnými s príchodom vedeckého a technologického pokroku. Vedci potrebovali hovoriť spoločným jazykom: jedna noha je koľko centimetrov? A čo je to centimeter vo Francúzsku, keď to nie je to isté ako taliančina?
Francúzsko možno nazvať čestným veteránom a víťazom historických metrologických bojov. Práve vo Francúzsku v roku 1791 bol systém merania oficiálne schválený a ichjednotky a definície hlavných fyzikálnych veličín boli opísané a schválené ako štátne dokumenty.
Francúzi ako prví pochopili, že fyzikálne veličiny by mali byť viazané na prírodné objekty. Napríklad jeden meter bol opísaný ako 1/40 000 000 dĺžky poludníka od severu na juh smerom k rovníku. Bol teda viazaný na veľkosť Zeme.
Jeden gram je tiež spojený s prírodnými javmi: bol definovaný ako množstvo vody v kubickom centimetri pri teplote blízkej nule (topenie ľadu).
Ako sa však ukázalo, Zem vôbec nie je dokonalá guľa a voda v kocke môže mať rôzne vlastnosti, ak obsahuje nečistoty. Preto sa veľkosti týchto množstiev v rôznych častiach planéty navzájom mierne líšili.
Začiatkom 19. storočia vstúpili do podnikania Nemci pod vedením matematika Karla Gaussa. Navrhol aktualizovať systém merania centimeter-gram-sekunda a odvtedy sa metrické jednotky dostali do sveta, veda a boli uznané medzinárodným spoločenstvom, vytvoril sa medzinárodný systém jednotiek fyzikálnych veličín.
Bolo rozhodnuté nahradiť dĺžku poludníka a hmotnosť kocky vody normami, ktoré boli uložené v Úrade pre váhy a miery v Paríži, s distribúciou kópií do krajín, ktoré sa podieľajú na metrike konvencia.
Kilogram napríklad vyzeral ako valec vyrobený zo zliatiny platiny a irídia, čo sa nakoniec tiež nestalo ideálnym riešením.
Medzinárodný systém jednotiek fyzikálnych veličín SI vznikol v roku 1960. Najprv to zahŕňalo šesťzákladné veličiny: metre a dĺžka, kilogramy a hmotnosť, čas v sekundách, sila prúdu v ampéroch, termodynamická teplota v kelvinoch a svietivosť v kandelách. O desať rokov neskôr k nim pribudlo ešte jedno - množstvo látky, merané v móloch.
Je dôležité vedieť, že všetky ostatné jednotky merania fyzikálnych veličín medzinárodného systému sa považujú za deriváty základných, to znamená, že ich možno vypočítať matematicky pomocou základných veličín sústavy SI.
Preč od štandardov
Ukázalo sa, že fyzikálne štandardy nie sú najspoľahlivejším systémom merania. Samotný kilogramový štandard a jeho kópie podľa krajín sa pravidelne porovnávajú. Zosúladenia ukazujú zmeny v hmotnosti týchto noriem, ku ktorým dochádza z rôznych dôvodov: prach pri overovaní, interakcia so stojanom alebo niečo iné. Vedci si tieto nepríjemné nuansy všimli už dlho. Nastal čas prehodnotiť parametre jednotiek fyzikálnych veličín medzinárodného systému v metrológii.
Niektoré definície veličín sa preto postupne menili: vedci sa snažili vymaniť sa z fyzikálnych noriem, ktoré tak či onak časom menili svoje parametre. Najlepším spôsobom je odvodiť veličiny z hľadiska nemenných vlastností, ako je rýchlosť svetla alebo zmeny v štruktúre atómov.
V predvečer revolúcie v systéme SI
Zásadné technologické zmeny v medzinárodnom systéme jednotiek fyzikálnych veličín sa uskutočňujú prostredníctvom hlasovania členov Medzinárodného úradu pre váhy a miery na výročnej konferencii. Ak budú schválené, zmeny sa prejavia po niekoľkýchmesiacov.
Toto všetko je mimoriadne dôležité pre vedcov, ktorých výskum a experimenty vyžadujú maximálnu presnosť meraní a formulácií.
Nové referenčné normy z roku 2018 pomôžu dosiahnuť najvyššiu úroveň presnosti pri akomkoľvek meraní na akomkoľvek mieste, čase a rozsahu. A to všetko bez straty presnosti.
Predefinovanie veličín v sústave SI
Týka sa štyroch zo siedmich prevádzkových základných fyzikálnych veličín. Rozhodlo sa predefinovať nasledujúce množstvá s jednotkami:
- kilogram (hmotnosť) s použitím jednotiek Planckovej konštanty vo výraze;
- ampér (prúd) s meraním nabitia;
- kelvin (termodynamická teplota) s jednotkovým vyjadrením pomocou Boltzmannovej konštanty;
- mol prostredníctvom Avogadrovej konštanty (množstvo látky).
Pre zvyšné tri množstvá sa znenie definícií zmení, ale ich podstata zostane nezmenená:
- meter (dĺžka);
- sekunda (čas);
- candela (intenzita svetla).
Zmeny s Amp
Čo je dnes ampér ako jednotka fyzikálnych veličín v medzinárodnom systéme SI, bolo navrhnuté už v roku 1946. Definícia bola viazaná na silu prúdu medzi dvoma vodičmi vo vákuu vo vzdialenosti jedného metra, špecifikujúc všetky nuansy tejto štruktúry. Nepresnosť a ťažkopádne meranie sú dve hlavné charakteristiky tejto definície z dnešného pohľadu.
V novej definícii je ampér elektrický prúd rovnýtok pevného počtu elektrických nábojov za sekundu. Jednotka je vyjadrená v elektrónových nábojoch.
Na určenie aktualizovaného ampéra je potrebný iba jeden nástroj - takzvané jednoelektrónové čerpadlo, ktoré je schopné pohybovať elektrónmi.
Nová molová a kremíková čistota 99,9998 %
Stará definícia molu súvisí s množstvom hmoty, ktoré sa rovná počtu atómov v izotope uhlíka s hmotnosťou 0,012 kg.
V novej verzii ide o množstvo látky, ktoré je obsiahnuté v presne definovanom počte špecifikovaných štruktúrnych jednotiek. Tieto jednotky sú vyjadrené pomocou Avogadrovej konštanty.
S číslom Avogadro je tiež veľa starostí. Na jej výpočet bolo rozhodnuté vytvoriť guľu kremíka-28. Tento izotop kremíka sa vyznačuje precíznou kryštálovou mriežkou až do dokonalosti. Preto je možné počet atómov v ňom presne spočítať pomocou laserového systému, ktorý meria priemer gule.
Samozrejme, dalo by sa namietať, že medzi kremíkovou 28 guľou a súčasnou zliatinou platiny a irídia nie je žiadny zásadný rozdiel. Tá aj iná látka časom stráca atómy. Prehry, správne. Ale kremík-28 ich stráca predvídateľnou rýchlosťou, takže úpravy sa budú robiť na referencii neustále.
Najčistejší kremík-28 pre guľu bol nedávno získaný v USA. Jeho čistota je 99,9998 %.
A teraz Kelvin
Kelvin je jednou z jednotiek fyzikálnych veličín v medzinárodnom systéme a používa sa na meranie úrovne termodynamickej teploty. "Po starom" sa rovná 1/273, 16časti teploty trojného bodu vody. Trojitý bod vody je mimoriadne zaujímavý komponent. Toto je úroveň teploty a tlaku, pri ktorej je voda naraz v troch stavoch – „para, ľad a voda“.
Definícia „kulhavého na obe nohy“z nasledujúceho dôvodu: hodnota kelvinov závisí predovšetkým od zloženia vody s teoreticky známym pomerom izotopov. V praxi však nebolo možné získať vodu s takýmito vlastnosťami.
Nový kelvin bude definovaný takto: jeden kelvin sa rovná zmene tepelnej energie o 1,4 × 10−23j. Jednotky sú vyjadrené pomocou Boltzmannovej konštanty. Teraz je možné merať úroveň teploty stanovením rýchlosti zvuku v plynovej guli.
Kilogram bez normy
Už vieme, že v Paríži existuje etalón platiny s irídiom, ktorý počas používania v metrológii a sústave jednotiek fyzikálnych veličín nejako zmenil svoju hmotnosť.
Nová definícia kilogramu znie: Jeden kilogram je vyjadrený ako Planckova konštanta delená 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Meranie hmotnosti je teraz možné vykonávať na "wattových" mierkach. Nenechajte sa zmiasť názvom, nie sú to bežné váhy, ale elektrina, ktorá stačí na zdvihnutie predmetu ležiaceho na druhej strane váhy.
Zmeny v princípoch konštrukcie jednotiek fyzikálnych veličín a ich sústavy ako celku sú potrebné predovšetkým v teoretických oblastiach vedy. Hlavné faktory v aktualizovanom systémesú teraz prirodzené konštanty.
Toto je logický záver dlhoročnej činnosti medzinárodnej skupiny serióznych vedcov, ktorých úsilie dlho smerovalo k nájdeniu ideálnych meraní a definícií jednotiek na základe zákonov fundamentálnej fyziky.
