2018 kan kaldes et skæbnesvangert år i metrologi, fordi dette er tidspunktet for en virkelig teknologisk revolution i det internationale system af enheder af fysiske størrelser SI. Det handler om at revidere definitionerne af de vigtigste fysiske størrelser. Vil et kilo kartofler i supermarkedet nu veje på en ny måde? C kartofler vil være det samme. Noget andet vil ændre sig.
Før SI-systemet
Fælles standarder i vægte og mål var nødvendige i oldtiden. Men de generelle regler for målinger blev særligt nødvendige med fremkomsten af videnskabelige og teknologiske fremskridt. Forskere havde brug for at tale på et fælles sprog: en fod er hvor mange centimeter? Og hvad er en centimeter i Frankrig, når det ikke er det samme som italiensk?
Frankrig kan kaldes en æresveteran og vinder af historiske metrologiske kampe. Det var i Frankrig i 1791, at målesystemet blev officielt godkendt og deresenheder, og definitionerne af de vigtigste fysiske størrelser blev beskrevet og godkendt som statsdokumenter.
Franskmændene var de første til at forstå, at fysiske mængder skulle være bundet til naturlige genstande. For eksempel er en meter blevet beskrevet som 1/40.000.000 af meridianens længde fra nord til syd mod ækvator. Han var således bundet til jordens størrelse.
Et gram er også blevet bundet til naturfænomener: det blev defineret som massen af vand i en kubikcentimeter ved et temperaturniveau tæt på nul (issmeltning).
Men, som det viste sig, er Jorden slet ikke en perfekt bold, og vand i en terning kan have en række egenskaber, hvis det indeholder urenheder. Derfor afveg størrelserne af disse mængder i forskellige dele af planeten en smule fra hinanden.
I begyndelsen af det 19. århundrede gik tyskerne, ledet af matematikeren Karl Gauss, ind i forretningen. Han foreslog at opdatere centimeter-gram-sekund systemet af mål, og siden da er metriske enheder gået ind i verden, videnskab og er blevet anerkendt af det internationale samfund, et internation alt system af enheder af fysiske størrelser er blevet dannet.
Det blev besluttet at erstatte længden af meridianen og massen af en terning vand med de standarder, der blev opbevaret i Bureau of Weights and Measures i Paris, med distribution af kopier til de lande, der deltager i metrikken stævne.
Kilogram lignede for eksempel en cylinder lavet af en legering af platin og iridium, hvilket i sidste ende heller ikke blev en ideel løsning.
Det internationale system af enheder af fysiske størrelser SI blev dannet i 1960. Først omfattede det seksgrundstørrelser: meter og længde, kilogram og masse, tid i sekunder, strømstyrke i ampere, termodynamisk temperatur i kelvin og lysstyrke i candela. Ti år senere blev der føjet en mere til dem - mængden af et stof, målt i mol.
Det er vigtigt at vide, at alle andre måleenheder for de fysiske størrelser i det internationale system betragtes som afledte af de grundlæggende, det vil sige, at de kan beregnes matematisk ved hjælp af SI-systemets grundstørrelser.
Væk fra standarderne
Fysiske standarder viste sig ikke at være det mest pålidelige målesystem. Selve kilogramstandarden og dens kopier efter land sammenlignes med jævne mellemrum med hinanden. Afstemninger viser ændringer i massen af disse standarder, hvilket opstår af forskellige årsager: støv under verifikation, interaktion med standen eller noget andet. Forskere har bemærket disse ubehagelige nuancer i lang tid. Tiden er inde til at revidere parametrene for enhederne for fysiske mængder i det internationale system inden for metrologi.
Derfor ændrede nogle definitioner af mængder sig gradvist: videnskabsmænd forsøgte at komme væk fra fysiske standarder, som på den ene eller anden måde ændrede deres parametre over tid. Den bedste måde er at udlede mængder i form af uforanderlige egenskaber, såsom lysets hastighed eller ændringer i atomernes struktur.
På tærsklen til revolutionen i SI-systemet
Væsentlige teknologiske ændringer i det internationale system af enheder af fysiske størrelser udføres gennem afstemning af medlemmer af International Bureau of Weights and Measures på den årlige konference. Hvis de godkendes, træder ændringerne i kraft efter et par stykkermåneder.
Alt dette er ekstremt vigtigt for videnskabsmænd, hvis forskning og eksperimenter kræver den største præcision i målinger og formuleringer.
De nye 2018 referencestandarder vil hjælpe med at opnå det højeste niveau af nøjagtighed i enhver måling på ethvert sted, tidspunkt og skala. Og alt dette uden tab af nøjagtighed.
Omdefinering af mængder i SI-systemet
Det drejer sig om fire af de syv grundlæggende fysiske mængder. Det blev besluttet at omdefinere følgende mængder med enheder:
- kilogram (masse) ved at bruge enhederne for Planck-konstanten i udtrykket;
- ampere (strøm) med ladningsmåling;
- kelvin (termodynamisk temperatur) med enhedsudtryk ved hjælp af Boltzmann-konstanten;
- mol gennem Avogadros konstant (stofmængde).
For de resterende tre mængder vil ordlyden af definitionerne blive ændret, men deres essens forbliver uændret:
- meter (længde);
- sekund (tid);
- candela (lysintensitet).
Ændringer med Amp
Hvad er amperen som en enhed af fysiske størrelser i det internationale SI-system i dag, blev foreslået tilbage i 1946. Definitionen var bundet til styrken af strømmen mellem to ledere i et vakuum i en afstand på en meter, hvilket specificerede alle nuancerne i denne struktur. Unøjagtighed og besværlig måling er de to vigtigste kendetegn ved denne definition fra nutidens synspunkt.
I den nye definition er en ampere en elektrisk strøm lig medflow af et fast antal elektriske ladninger pr. sekund. Enheden er udtrykt i elektronladninger.
For at bestemme den opdaterede ampere behøves kun ét værktøj - den såkaldte enkeltelektronpumpe, som er i stand til at flytte elektroner.
Ny muldvarp og siliciumrenhed 99,9998%
Den gamle definition af en muldvarp er relateret til mængden af stof lig med antallet af atomer i en kulstofisotop med en masse på 0,012 kg.
I den nye version er dette mængden af et stof, der er indeholdt i et præcist defineret antal specificerede strukturelle enheder. Disse enheder er udtrykt ved hjælp af Avogadro-konstanten.
Der er også mange bekymringer med Avogadros nummer. For at beregne det blev det besluttet at skabe en kugle af silicium-28. Denne isotop af silicium er kendetegnet ved sit præcise krystalgitter til perfektion. Derfor kan antallet af atomer i den tælles nøjagtigt ved hjælp af et lasersystem, der måler diameteren af en kugle.
Man kan selvfølgelig argumentere for, at der ikke er nogen grundlæggende forskel mellem en silicium-28-kugle og den nuværende platin-iridium-legering. Både det og andet stof mister atomer med tiden. Taber, ikke sandt. Men silicium-28 mister dem med en forudsigelig hastighed, så der vil hele tiden blive justeret på referencen.
Den reneste silicium-28 til kuglen blev for nylig anskaffet i USA. Dens renhed er 99,9998%.
Og nu Kelvin
Kelvin er en af enhederne for fysiske størrelser i det internationale system og bruges til at måle niveauet af termodynamisk temperatur. "På den gamle måde" er det lig med 1/273, 16dele af temperaturen af vandets tredobbelte punkt. Vandets tredobbelte punkt er en yderst interessant komponent. Dette er niveauet af temperatur og tryk, ved hvilket vand er i tre tilstande på én gang - "damp, is og vand."
Definitionen af "h altede på begge ben" af følgende grund: værdien af kelvin afhænger primært af sammensætningen af vand med et teoretisk kendt isotopforhold. Men i praksis var det umuligt at få vand med sådanne egenskaber.
Den nye kelvin vil blive defineret som følger: en kelvin er lig med en ændring i termisk energi med 1,4 × 10−23j. Enhederne er udtrykt ved hjælp af Boltzmann-konstanten. Nu kan temperaturniveauet måles ved at fastsætte lydhastigheden i gaskuglen.
Kilogram uden standard
Vi ved allerede, at der i Paris er en standard af platin med iridium, som på en eller anden måde ændrede sin vægt under brugen i metrologi og systemet af fysiske størrelsesenheder.
Den nye definition af kilogrammet er: Et kilogram er udtrykt som Plancks konstant divideret med 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Måling af masse kan nu udføres på "watt"-skalaen. Lad ikke navnet narre dig, det er ikke de sædvanlige vægte, men elektricitet, som er nok til at løfte en genstand, der ligger på den anden side af vægten.
Ændringer i principperne for at konstruere enheder af fysiske størrelser og deres system som helhed er nødvendige, først og fremmest inden for videnskabsteoretiske områder. De vigtigste faktorer i det opdaterede systemer nu naturlige konstanter.
Dette er den logiske konklusion på mange års aktivitet af en international gruppe af seriøse videnskabsmænd, hvis indsats i lang tid var rettet mod at finde ideelle målinger og definitioner af enheder baseret på fundamental fysiks love.
