Килограмм отправили на пенсию

0

На Генеральной конференции по мерам и весам, недавно проходившей под Парижем, было принято окончательное решение изменить определения четырех базовых единиц измерения: килограмма, ампера, кельвина и моля. Изменения официально войдут в силу 20 мая 2019 г., во Всемирный день метрологии.

Подготовка реформы, завершающейся у нас на глазах, началась в 2011 г., когда 24-я Генеральная конференция по мерам и весам постановила, что основные единицы СИ должны быть определены не на основе эталонов, изготовленных людьми, а на основе фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов. Три основных единицы: секунда, метр и кандела – уже перенесли такую трансформацию.

Секунда по атому цезия

Секунда когда-то определялась как часть более крупных отрезков времени, а они соответствовали параметрам вращения Земли. Так, с 1940-х гг. секунда определялась как 1/86400 средних солнечных суток, а в 1960 г., при утверждении Международной системы единиц, секунду определили как «1/31 556 925,9747 долю тропического года…». Но уже в начале 1960-х гг. появились атомные часы, в которых для измерения времени использовались периоды колебаний в процессах на уровне отдельных атомов. И в 1967 г. Международное бюро мер и весов определило секунду как время, «равное 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Спустя 30 лет в это определение внесли уточнение, что атом цезия находится при температуре в ноль кельвинов и не должен быть возмущен внешними полями.

Метр изначально хотели определить как длину маятника, у которого полупериод колебаний на широте 45 градусов равнялся бы одной секунде. Но в 1791 г. комиссия Французской академии наук решила, что метр должен равняться одной сорокамиллионной части парижского меридиана. Фактически это то же самое, что расстояние от Северного полюса до экватора по меридиану Парижа, деленное на 10 миллионов. В 1795 г. это определение было принято Национальным конвентом Франции. Отрезок дуги парижского меридиана от Дюнкерка до Барселоны был тщательно измерен французскими геодезистами, и на основе их измерений вычислена длина «метра подлинного и окончательного». В тот же год для практических целей из латуни был изготовлен первый материальный эталон метра, а в 1799 г. новый эталон был выполнен уже из платины. Последний из металлических эталонов метра появился в 1889 г. и состоял из сплава платины и иридия. Он до сих пор хранится в Международном бюро мер и весов.

Необходимость в эталоне метра, определяемом на основе более фундаментальных вещей, чем геодезические измерения и металлические изделия, назрела довольно скоро, но была впервые реализована лишь в 1960 г. Наконец, с 1983 г. метром стали называть длину пути, «проходимого светом в вакууме за 1/299.792.458 секунды».

Постоянные Планка и Больцмана

Реформы, принятые сегодня, означают отказ Международной системы от последнего материального эталона основной единицы – килограмма. Первое определение килограмма было принято в 1795 г. в республиканской Франции. Килограммом считался вес 1 куб. дм воды при 4 град. Цельсия, когда плотность воды максимальна. В 1799 г. был изготовлен платиновый эталон килограмма. В 1889 г. был сделан новый эталон из платиново-иридиевого сплава.

Отныне килограмм привязан к постоянной Планка, значение которой принято как точно равное 6,62607015×10 в отрицательной 34-й степени Дж/с. Поскольку джоуль определяется как килограмм, умноженный на метр квадратный, постоянная Планка связывается с килограммом. Получается, что, если раньше ученые ставили эксперименты по уточнению значения постоянной Планка, то теперь те же самые эксперименты будут уточнять размер килограмма, так как значение постоянной Планка они зафиксировали. Это довольно удобный подход, ведь постоянная Планка не зависит от каких-либо внешних обстоятельств.

Ампер с конца 1940-х гг. определялся как «сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2х10-7 Ньютона». Теперь его определение привязано к фундаментальной постоянной – заряду электрона, величина которого отныне считается равной 1,60217X10 в отрицательной 19-й степени кулона. Кулон же по определению равен амперу, умноженному на секунду.

Единица температуры – кельвин – изначально определялась с помощью тройной точки воды. Такой точкой называют соотношение определенной температуры и давления, при котором вода может равновесно находиться в трех фазах: жидкой, твердой и газообразной. Давление для тройной точки равно 611,657 паскаля, а ее температуру принято было считать равной 273,16 кельвина. Соответственно, один кельвин был равен 1/273,16 температуры тройной точки воды. В 2005 г. в определение внесли дополнение, уточняющее изотопный состав водорода и кислорода в воде.
Для новой интерпретации кельвина используется еще одна фундаментальная константа – постоянная Больцмана, определяющая связь между температурой и энергией. Например, у идеального газа из одноатомных молекул при температуре T энергия будет равна 3/2kT, где k – постоянная Больцмана. Измеряется постоянная Больцмана в джоулях, деленных на кельвин, и отныне ее значение будет принято равным 1,380649х10 в отрицательной 23-й степени Дж/K.
Наконец, последняя из основных единиц СИ – моль, использующийся для измерения количества вещества, считался равным количеству атомов в 0,012 килограмма изотопа углерода 12C. Число элементов в моле вещества называется постоянной Авогадро. Теперь эту константу тоже зафиксировали, признав равной 6,02214076х10 в 23-й степени, а моль определяют через нее.

Как мы видим, во всех случаях Международное бюро мер и весов придерживалось единого подхода: перейти от измерения фундаментальных физических констант в выбранных единицах к установлению размера единиц измерения от величины этих констант.

Максим Руссо

polit.ru

Поделиться.

Ответить

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.