Міжнародна система одиниць фізичних величин: поняття фізичної величини, способи визначення

2018 рік можна назвати доленосним у метрології, тому що це час справжньої технологічної революції в міжнародній системі одиниць фізичних величин СІ. Мова про перегляд визначень головних фізичних величин. Чи буде тепер кілограм картоплі в супермаркеті важити по-новому? З картоплею буде як і раніше. Зміниться інше.

Що було до системи СІ

Загальні стандарти в заходах і вагах знадобилися ще в давні часи. Але особливо потрібними загальні правила вимірювань стали з разом з появою науково-технічного прогресу. Вченим потрібно було розмовляти загальною мовою: один фут — це скільки сантиметрів? І що таке сантиметр у Франції, коли він не збігається з італійським?

Францію цілком можна назвати почесним ветераном і переможцем історичних метрологічних баталій. Саме у Франції в 1791 році була офіційно затверджена система вимірювань і їх одиниць, а визначення головних фізичних величин були описані і завізовані в якості державних документів.

Французи першими зрозуміли, що фізичні величини повинні бути прив’язані до природних об’єктів. Наприклад, один метр був описаний як 1/40000000 частина довжини меридіана з півночі на південь до екватора. Він був прив’язаний, таким чином, до розмірів Землі.

Один грам також прив’язали до природних явищ: його визначили як масу води в кубічному сантиметрі при рівні температури, близької до нульового (плавлення льоду).

Але, як виявилося, Земля зовсім не є ідеальною кулею, а вода в кубику може мати різні властивості, якщо в ній є домішки. Тому розміри цих величин в різних точках планети трохи відрізнялися один від одного.

На початку 19 століття в справу вступили німці на чолі з математиком Карлом Гауссом. Він запропонував оновити систему заходів «сантиметр-грам-секунда», і з тих пір метричні одиниці пішли в світ, науку і були визнані міжнародною спільнотою, утворилася міжнародна система одиниць фізичних величин.

Довжину меридіана і масу кубика води вирішили замінити еталонами, які зберігалися в Бюро заходів і терезів у Парижі, з роздачею копій по країнах — учасницях метричної конвенції.

Кілограм, наприклад, виглядав циліндром зі сплаву платини та іридію, що в підсумку теж не стало ідеальним рішенням.

Міжнародна система одиниць фізичних величин SI була утворена в 1960 році. Спочатку в неї входили шість основних величин: метри і довжина, кілограми і маса, час у секундах, сила струму в амперах, термодинамічна температура в кельвинах і сила світла в канделах. Через десять років до них додалася ще одна — кількість речовини, що вимірюється в молях.

Важливо знати, що всі інші одиниці вимірювання фізичних величин міжнародної системи вважаються похідними від основних, тобто можуть бути обчислені математично за допомогою основних величин системи СІ.

Геть від еталонів

Фізичні еталони виявилися не найнадійнішою системою вимірювань. Сам еталон кілограма і його копії по країнах періодично звіряють один з одним. Звірки показують зміни мас цих еталонів, що відбувається з різних причин: пил при повірці, взаємодія з підставкою або щось інше. Вчені помітили ці неприємні нюанси давно. Настав час перегляду параметрів одиниць фізичних величин міжнародної системи в метрології.

Тому деякі визначення величин поступово змінювалися: вчені намагалися піти від фізичних еталонів, які так чи інакше з часом змінювали свої параметри. Кращим способом є виведення величин через незмінні властивості, як, наприклад, швидкість світла або зміни в структурі атомів.

Напередодні революції в системі СІ

Принципові технологічні зміни в міжнародній системі одиниць фізичних величин проводяться через голосування членів Міжнародного бюро заходів і терезів на річній конференції. При позитивному рішенні зміни набирають чинності через кілька місяців.

Все це надзвичайно важливо для вчених, в чиїх дослідженнях і експериментах потрібна гранична точність вимірювань і формулювань.

Нові еталони зразка 2018 року допоможуть досягти найвищого рівня точності в будь-яких вимірах у будь-якому місці, часі і масштабі. І все це без будь-яких втрат в точності.

Перевизначення величин у системі СІ

Воно стосується чотирьох із семи діючих основних фізичних величин. Було вирішено перевизначити такі величини з одиницями вимірювань:

• кілограм (маса) з використанням у вираженні одиниць постійної Планка;
• ампер (сила струму) з вимірюванням величини заряду;
• кельвін (термодинамічна температура) з виразом одиниці за допомогою постійної Больцмана;
• моль через постійну Авогадро (кількість речовини).

Щодо інших трьох величин буде змінено формулювання визначень, але їх суть залишиться незмінною:

• метр (довжина);
• секунда (час);
• кандела (сила світла).

Зміни з ампером

Те, що являє собою ампер як одиниця фізичних величин у міжнародній системі СІ сьогодні, було запропоновано ще в 1946 році. Визначення було прив’язане до сили струму між двома провідниками у вакуумі на відстані одного метра з уточненням всіх нюансів цієї споруди. Неточність і громіздкість вимірювання — ось дві головні характеристики цього визначення з сьогоднішньої точки зору.

У новому визначенні ампер — це електричний струм, рівний потоку фіксованого числа електричних зарядів в секунду. Одиниця виражається в зарядах електрону.

Для визначення оновленого ампера потрібен всього один інструмент — так званий одноелектронний насос, який здатний переміщати електрони.

Новий моль і чистота кремнію 99,9998%

Старе визначення молю пов’язане з кількістю речовини, рівною числу атомів в ізотопі вуглецю з масою 0,012 кг.

У новій версії це кількість речовини, яка міститься в точно певній кількості специфікованих структурних одиниць. Ці одиниці виражаються за допомогою постійної Авогадро.

З числом Авогадро теж чимало турбот. Для його обчислення було вирішено створити сферу з кремнію-28. Даний ізотоп кремнію відрізняється своєю точною до ідеальності кристалічною решіткою. Тому в ньому можна точно підрахувати число атомів за допомогою лазерної системи, що вимірює діаметр сфери.

Можна, звичайно, заперечити в тому, що немає принципової різниця між сферою з кремнію-28 і нинішнім сплавом з платини та іридію. І та, й інша речовина втрачає атоми в часі. Втрачає, вірно. Але кремній-28 втрачає їх з передбачуваною швидкістю, тому в еталон будуть постійно вноситися корективи.

Найчистіший кремній-28 для сфери отримали зовсім недавно в США. Його чистота становить 99,9998%.

А тепер кельвін

Кельвін є однією з одиниць фізичних величин у міжнародній системі і служить для вимірювання рівня термодинамічної температури. «По-старому» він дорівнює 1/273,16 частині температури потрійної точки води. Потрійна точка води — надзвичайно цікава складова. Це рівень температури і тиску, при якому вода знаходиться відразу в трьох станах — «пар, лід і вода».

Визначення «кульгало на обидві ноги» з наступної причини: величина кельвіна залежить в першу чергу від складу води з теоретично відомим співвідношенням ізотопів. Але на практиці отримати воду з такими характеристиками було неможливо.

Новий кельвін визначатиметься так: один кельвін дорівнює зміні теплової енергії на 1,4 ст.1 10 ^{‑ 23}дж. Одиниці виражаються за допомогою постійної Больцмана. Тепер рівень температури можна буде вимірювати за допомогою фіксації швидкості звуку в газовій сфері.

Кілограм без еталона

Ми вже знаємо, що в Парижі знаходиться еталон з платини з іридієм, який так чи інакше змінив свою вагу за час використання в метрології і системі одиниць фізичних величин.

Нове визначення кілограма звучить так: один кілограм виражається у величині постійної Планка, розділеної на 6,63 ст.1 10 ^{‑ 34} м²· с ^{‑ 1}.

Вимірювання маси тепер можна виробляти на «ваттових» вагах. Нехай ця назва не вводить вас в оману, це не звичні ваги, а електроенергія, якої вистачить, щоб підняти предмет, що лежить на іншій чаші терезів.

Зміни в принципах побудови одиниць фізичних величин і їх системі в цілому потрібні, перш за все, в теоретичних галузях науки. Головними факторами в оновленій системі тепер є природні постійні величини.

Це закономірне завершення багаторічної діяльності міжнародної групи серйозних вчених, чиї зусилля протягом довгого часу були спрямовані на пошук ідеальних вимірювань і визначень одиниць на основі законів фундаментальної фізики.