Το 2018 μπορεί να ονομαστεί μοιραίο έτος στη μετρολογία, επειδή αυτή είναι η εποχή μιας πραγματικής τεχνολογικής επανάστασης στο διεθνές σύστημα μονάδων φυσικών μεγεθών SI. Πρόκειται για την αναθεώρηση των ορισμών των κύριων φυσικών μεγεθών. Θα ζυγίζει τώρα με νέο τρόπο ένα κιλό πατάτες στο σούπερ μάρκετ; Γ πατάτες θα είναι το ίδιο. Κάτι άλλο θα αλλάξει.
Πριν από το σύστημα SI
Κοινά πρότυπα στα βάρη και στα μέτρα ήταν απαραίτητα στην αρχαιότητα. Αλλά οι γενικοί κανόνες για τις μετρήσεις έγιναν ιδιαίτερα απαραίτητοι με την έλευση της επιστημονικής και τεχνολογικής προόδου. Οι επιστήμονες έπρεπε να μιλούν σε μια κοινή γλώσσα: πόσα εκατοστά είναι το ένα πόδι; Και τι είναι ένα εκατοστό στη Γαλλία όταν δεν είναι το ίδιο με το ιταλικό;
Η Γαλλία μπορεί να ονομαστεί επίτιμος βετεράνος και νικητής ιστορικών μετρολογικών μαχών. Ήταν στη Γαλλία το 1791 ότι το σύστημα μέτρησης εγκρίθηκε επίσημα και τουςμονάδες και οι ορισμοί των κύριων φυσικών μεγεθών περιγράφηκαν και εγκρίθηκαν ως κρατικά έγγραφα.
Οι Γάλλοι ήταν οι πρώτοι που κατάλαβαν ότι οι φυσικές ποσότητες πρέπει να συνδέονται με φυσικά αντικείμενα. Για παράδειγμα, ένα μέτρο έχει περιγραφεί ως το 1/40.000.000 του μήκους του μεσημβρινού από βορρά προς νότο προς τον ισημερινό. Ήταν δεμένος, έτσι, στο μέγεθος της Γης.
Ένα γραμμάριο έχει επίσης συνδεθεί με φυσικά φαινόμενα: ορίστηκε ως η μάζα του νερού σε ένα κυβικό εκατοστό σε επίπεδο θερμοκρασίας κοντά στο μηδέν (τήξη πάγου).
Όμως, όπως αποδείχθηκε, η Γη δεν είναι καθόλου τέλεια μπάλα και το νερό σε έναν κύβο μπορεί να έχει διάφορες ιδιότητες εάν περιέχει ακαθαρσίες. Επομένως, τα μεγέθη αυτών των ποσοτήτων σε διαφορετικά μέρη του πλανήτη διέφεραν ελαφρώς μεταξύ τους.
Στις αρχές του 19ου αιώνα, οι Γερμανοί, με επικεφαλής τον μαθηματικό Karl Gauss, μπήκαν στην επιχείρηση. Πρότεινε να επικαιροποιηθεί το σύστημα μέτρων των εκατοστών γραμμαρίων δευτερολέπτου και από τότε οι μετρικές μονάδες μπήκαν στον κόσμο, στην επιστήμη και αναγνωρίστηκαν από τη διεθνή κοινότητα, δημιουργήθηκε ένα διεθνές σύστημα μονάδων φυσικών μεγεθών.
Αποφασίστηκε να αντικατασταθεί το μήκος του μεσημβρινού και η μάζα ενός κύβου νερού με τα πρότυπα που ήταν αποθηκευμένα στο Γραφείο Βαρών και Μετρών στο Παρίσι, με διανομή αντιγράφων στις χώρες που συμμετείχαν στη μέτρηση σύμβαση.
Το Kilogram, για παράδειγμα, έμοιαζε με κύλινδρο από κράμα πλατίνας και ιριδίου, το οποίο τελικά δεν έγινε επίσης ιδανική λύση.
Το διεθνές σύστημα μονάδων φυσικών μεγεθών SI σχηματίστηκε το 1960. Στην αρχή περιελάμβανε έξιβασικές ποσότητες: μέτρα και μήκος, κιλά και μάζα, χρόνος σε δευτερόλεπτα, ισχύς ρεύματος σε αμπέρ, θερμοδυναμική θερμοκρασία σε kelvins και φωτεινή ένταση σε candela. Δέκα χρόνια αργότερα, προστέθηκε σε αυτά ένα ακόμη - η ποσότητα μιας ουσίας, μετρημένη σε κρεατοελιές.
Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ότι όλες οι άλλες μονάδες μέτρησης των φυσικών μεγεθών του διεθνούς συστήματος θεωρούνται παράγωγα των βασικών, δηλαδή μπορούν να υπολογιστούν μαθηματικά χρησιμοποιώντας τα βασικά μεγέθη του συστήματος SI.
Μακριά από τα πρότυπα
Τα φυσικά πρότυπα αποδείχθηκε ότι δεν ήταν το πιο αξιόπιστο σύστημα μέτρησης. Το ίδιο το πρότυπο χιλιογράμμων και τα αντίγραφά του ανά χώρα συγκρίνονται περιοδικά μεταξύ τους. Οι συμφωνίες δείχνουν αλλαγές στις μάζες αυτών των προτύπων, οι οποίες συμβαίνουν για διάφορους λόγους: σκόνη κατά την επαλήθευση, αλληλεπίδραση με τη βάση ή κάτι άλλο. Οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει αυτές τις δυσάρεστες αποχρώσεις εδώ και πολύ καιρό. Ήρθε η ώρα να αναθεωρηθούν οι παράμετροι των μονάδων φυσικών μεγεθών του διεθνούς συστήματος στη μετρολογία.
Επομένως, ορισμένοι ορισμοί των ποσοτήτων άλλαξαν σταδιακά: οι επιστήμονες προσπάθησαν να ξεφύγουν από τα φυσικά πρότυπα, τα οποία με τον ένα ή τον άλλο τρόπο άλλαξαν τις παραμέτρους τους με την πάροδο του χρόνου. Ο καλύτερος τρόπος είναι να προκύψουν ποσότητες ως προς τις αμετάβλητες ιδιότητες, όπως η ταχύτητα του φωτός ή οι αλλαγές στη δομή των ατόμων.
Την παραμονή της επανάστασης στο σύστημα SI
Οι κύριες τεχνολογικές αλλαγές στο διεθνές σύστημα μονάδων φυσικών μεγεθών πραγματοποιούνται μέσω της ψηφοφορίας των μελών του Διεθνούς Γραφείου Βαρών και Μετρών στο ετήσιο συνέδριο. Εάν εγκριθούν, οι αλλαγές θα τεθούν σε ισχύ μετά από μερικέςμήνες.
Όλα αυτά είναι εξαιρετικά σημαντικά για τους επιστήμονες των οποίων η έρευνα και τα πειράματα απαιτούν τη μέγιστη ακρίβεια στις μετρήσεις και τα σκευάσματα.
Τα νέα πρότυπα αναφοράς του 2018 θα βοηθήσουν στην επίτευξη του υψηλότερου επιπέδου ακρίβειας σε οποιαδήποτε μέτρηση σε οποιοδήποτε μέρος, χρόνο και κλίμακα. Και όλα αυτά χωρίς καμία απώλεια στην ακρίβεια.
Επαναπροσδιορισμός ποσοτήτων στο σύστημα SI
Αφορά τέσσερα από τα επτά λειτουργικά βασικά φυσικά μεγέθη. Αποφασίστηκε να επαναπροσδιοριστούν οι ακόλουθες ποσότητες με μονάδες:
- κιλό (μάζα) χρησιμοποιώντας τις μονάδες της σταθεράς Planck στην έκφραση;
- αμπέρ (ρεύμα) με μέτρηση φόρτισης;
- kelvin (θερμοδυναμική θερμοκρασία) με έκφραση μονάδας χρησιμοποιώντας τη σταθερά Boltzmann;
- mole μέσω της σταθεράς του Avogadro (ποσότητα ουσίας).
Για τις υπόλοιπες τρεις ποσότητες, η διατύπωση των ορισμών θα αλλάξει, αλλά η ουσία τους θα παραμείνει αμετάβλητη:
- μέτρο (μήκος);
- δευτερόλεπτο (χρόνος);
- candela (ένταση φωτός).
Αλλαγές με Amp
Τι είναι το αμπέρ ως μονάδα φυσικών μεγεθών στο διεθνές σύστημα SI σήμερα, προτάθηκε το 1946. Ο ορισμός συνδέθηκε με την ισχύ του ρεύματος μεταξύ δύο αγωγών σε κενό σε απόσταση ενός μέτρου, προσδιορίζοντας όλες τις αποχρώσεις αυτής της δομής. Η ανακρίβεια και η δυσκίνητη μέτρηση είναι τα δύο κύρια χαρακτηριστικά αυτού του ορισμού από τη σημερινή σκοπιά.
Στον νέο ορισμό, ένα αμπέρ είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα ίσο μεροή ενός σταθερού αριθμού ηλεκτρικών φορτίων ανά δευτερόλεπτο. Η μονάδα εκφράζεται σε φορτία ηλεκτρονίων.
Για τον προσδιορισμό του ενημερωμένου αμπέρ, χρειάζεται μόνο ένα εργαλείο - η λεγόμενη αντλία ενός ηλεκτρονίου, η οποία μπορεί να μετακινήσει ηλεκτρόνια.
Νέο mole και καθαρότητα πυριτίου 99,9998%
Ο παλιός ορισμός του mole σχετίζεται με την ποσότητα ύλης ίση με τον αριθμό των ατόμων σε ένα ισότοπο άνθρακα με μάζα 0,012 kg.
Στη νέα έκδοση, αυτή είναι η ποσότητα μιας ουσίας που περιέχεται σε έναν επακριβώς καθορισμένο αριθμό καθορισμένων δομικών μονάδων. Αυτές οι μονάδες εκφράζονται χρησιμοποιώντας τη σταθερά Avogadro.
Υπάρχουν επίσης πολλές ανησυχίες με τον αριθμό της Avogadro. Για τον υπολογισμό του, αποφασίστηκε να δημιουργηθεί μια σφαίρα πυριτίου-28. Αυτό το ισότοπο πυριτίου διακρίνεται από το ακριβές κρυσταλλικό του πλέγμα στην τελειότητα. Επομένως, ο αριθμός των ατόμων σε αυτό μπορεί να μετρηθεί με ακρίβεια χρησιμοποιώντας ένα σύστημα λέιζερ που μετρά τη διάμετρο μιας σφαίρας.
Θα μπορούσε, φυσικά, να υποστηρίξει κανείς ότι δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά μεταξύ μιας σφαίρας πυριτίου-28 και του σημερινού κράματος πλατίνας-ιριδίου. Τόσο αυτή όσο και άλλη ουσία χάνει άτομα με τον χρόνο. Χάνει, σωστά. Αλλά το silicon-28 τα χάνει με προβλέψιμο ρυθμό, επομένως θα γίνονται προσαρμογές στην αναφορά συνεχώς.
Το πιο καθαρό πυρίτιο-28 για τη σφαίρα ελήφθη πρόσφατα στις ΗΠΑ. Η καθαρότητά του είναι 99,9998%.
Και τώρα Kelvin
Το Kelvin είναι μία από τις μονάδες φυσικών μεγεθών στο διεθνές σύστημα και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του επιπέδου της θερμοδυναμικής θερμοκρασίας. «Με τον παλιό τρόπο» ισούται με 1/273, 16μέρη της θερμοκρασίας του τριπλού σημείου του νερού. Το τριπλό σημείο του νερού είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον συστατικό. Αυτό είναι το επίπεδο θερμοκρασίας και πίεσης στο οποίο το νερό βρίσκεται σε τρεις καταστάσεις ταυτόχρονα - "ατμός, πάγος και νερό."
Ο ορισμός του "κούτσας και στα δύο πόδια" για τον ακόλουθο λόγο: η τιμή του kelvin εξαρτάται κυρίως από τη σύνθεση του νερού με μια θεωρητικά γνωστή αναλογία ισοτόπων. Αλλά στην πράξη, ήταν αδύνατο να ληφθεί νερό με τέτοια χαρακτηριστικά.
Το νέο kelvin θα οριστεί ως εξής: ένα kelvin ισούται με μεταβολή της θερμικής ενέργειας κατά 1,4 × 10−23j. Οι μονάδες εκφράζονται χρησιμοποιώντας τη σταθερά Boltzmann. Τώρα το επίπεδο θερμοκρασίας μπορεί να μετρηθεί καθορίζοντας την ταχύτητα του ήχου στη σφαίρα αερίου.
Kilogram χωρίς τυπικό
Γνωρίζουμε ήδη ότι στο Παρίσι υπάρχει ένα πρότυπο πλατίνας με ιρίδιο, που κατά κάποιο τρόπο άλλαξε το βάρος του κατά τη χρήση του στη μετρολογία και το σύστημα μονάδων φυσικών μεγεθών.
Ο νέος ορισμός του κιλού είναι: Ένα κιλό εκφράζεται ως η σταθερά του Planck διαιρούμενο με 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Η μέτρηση της μάζας μπορεί πλέον να γίνει στην κλίμακα "watt". Μην αφήσετε το όνομα να σας ξεγελάσει, δεν πρόκειται για τη συνηθισμένη ζυγαριά, αλλά για ηλεκτρισμό, που αρκεί για να σηκώσετε ένα αντικείμενο που βρίσκεται στην άλλη πλευρά της ζυγαριάς.
Απαιτούνται αλλαγές στις αρχές της κατασκευής μονάδων φυσικών μεγεθών και του συστήματός τους στο σύνολό του, πρώτα απ 'όλα, στα θεωρητικά πεδία της επιστήμης. Οι κύριοι παράγοντες στο ενημερωμένο σύστημαείναι πλέον φυσικές σταθερές.
Αυτό είναι το λογικό συμπέρασμα πολυετούς δραστηριότητας μιας διεθνούς ομάδας σοβαρών επιστημόνων των οποίων οι προσπάθειες για μεγάλο χρονικό διάστημα αποσκοπούσαν στην εύρεση ιδανικών μετρήσεων και ορισμών μονάδων με βάση τους νόμους της θεμελιώδης φυσικής.
