Поиск по сайту:
Главная страница » Каталог статей » О законодательстве » Калинин М.И., "О предстоящей реформе международной системы единиц"

О предстоящей реформе международной системы единиц




М.И. Калинин, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ФГУП «ВНИИМС, Москва,

kalinin @ vniims.ru

В 2018 г. планируется проведение реформы Международной системы единиц (СИ). Определения основных единиц в Новой СИ привязываются к точным значениям ряда так называемых определяющих констант. Одной из задач Международных метрологических организаций и Национальных метрологических институтов является широкое информирование пользователей СИ о готовящейся реформе системы единиц. В данной статье кратко излагаются причины и основные положения предстоящей реформы.



Предпосылки предстоящей реформы СИ 



Международная система единиц, принятая в 1960 г. на XI Генеральной конференции мер и весов (ГКМВ), явилась естественным развитием метрической системы мер. СИ представляет собой когерентную систему, включающую в себя основные величины, их единицы и производные единицы. Размерности основных единиц являются независимыми. Размерности производных

единиц выражаются через размерности основных в виде произведений и частных их целых степеней.

Действующая в настоящее время «Международная система единиц (СИ)» официально изложена на французском и английском языках в документе [1], опубликованном Международным бюро мер и весов (МБМВ) в 2006 г. и называемым обычно «Брошюра СИ» - 8-я редакция. Этот документ доступен на сайте МБМВ. Во второй главе брошюры содержатся определения семи основных единиц СИ. Их можно условно разделить на три типа [2]:

а) эталон-артефакт - Международный прототип килограмма (МПК), действующий с 1889 г. и до настоящего времени, определяет единицу массы «килограмм есть единица массы; он равен массе международного прототипа килограмма»;

б) единицы, определяемые заданием физического состояния или условия. К таким единицам относятся единицы времени, температуры, количества вещества и силы света «секунда есть длительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133»,

«кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды»,

«моль есть количество вещества системы, которое содержит столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в 0,012 килограмма углерода - 12»,

«кандела - сила света в данном направлении от источника, который испускает монохроматическое излучение с частотой 540x1012 Гц, интенсивность излучения которого в этом направлении составляет 1/683 ватт на стерадиан»;

в) единицы, определяемые заданием способа их реализации. К ним относятся единицы длины и силы электрического тока «метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 секунды», «ампер есть сила постоянного тока, который при прохождении по двум строго параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метра один от другого, вызывал бы между этими проводниками на участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2x107 ньютона». Наличие артефакта в качестве определения единицы массы давно уже беспокоит метрологов и является одной из основных причин предлагаемой реформы СИ. Он не связан с каким-либо природным инвариантом. Он легко может быть уничтожен или испорчен. Кроме того, и это - главное, он не стабилен. Три сличения национальных прототипов килограмма с МПК в период с 1889 г. до 1991 г. выявили расхождение со временем их масс на 50 мкг за 100 лет. И до сих пор нет ясности, массы каких эталонов менялись и в какую сторону. Поэтому возможность переопределения килограмма через стабильную инвариантную величину - массу атома или фундаментальную физическую постоянную - обсуждалась, по меньшей мере, всю последнюю четверть прошлого столетия.

Недостатки определений ампера, моля и канделы в основном вызваны их зависимостью от определения килограмма. Кроме того, новые технологии, основанные на эффекте Джозефсона и квантовом эффекте Холла позволяют воспроизводить электрические единицы, в том числе и ампер, гораздо точнее, чем прямая реализация официального определения, которое существует в нынешней СИ. Это обстоятельство привело к тому, что в 8-й редакции брошюры СИ рекомендовано использовать именно квантовые методы для реализации электрических единиц при сохранении нынешнего определения ампера.

Определение кельвина через точно заданное значение температуры тройной точки воды связано с действительно инвариантным природным состоянием. Однако её температура в значительной степени зависит от содержания примесей и изотопного состава данного объема воды. Это ограничивает точность, с которой данное определение может быть реализовано. Кроме того, возможность существования точного (с нулевой неопределенностью) значения температуры фазового перехода, в том числе и температуры тройной точки воды в последнее время подвергается сомнению [3]. в работе Янга и Ли [4] было показано, что в молекулярной системе конечных размеров все термодинамические функции являются аналитическими и не имеют разрывов даже в области фазовых переходов. Переход от одной фазы к другой при изменении температуры происходит формально непрерывно, без скачка, но в очень узкой температурной области, которая воспринимается современными, даже самыми чувствительными термометрами, как одна точка - точка разрыва. Но принципиально размер этой переходной области не равен нулю, и он определяет неустранимое значение неопределенности температуры фазового перехода. Эта неопределенность не связана с измерением температуры фазового перехода, а является неопределенностью самого понятия температуры фазового перехода. И температура основной реперной точки - тройной точки воды, определяющая значение единицы термодинамической температуры, также имеет ненулевую неопределенность.

Более подробно с проблемами определений основных единиц СИ и их реализации, которые привели к необходимости реформы СИ, можно ознакомиться в работе [5].

Как указывалось выше, главной проблемой на пути улучшения СИ является определение килограмма. Поэтому возможность переопределения килограмма через истинный природный инвариант - массу атома
или фундаментальную физическую постоянную-обсуждалась, по меньшей мере, всю последнюю четверть прошлого столетия. Необходимость замены нынешнего определения килограмма на основе артефакта другим, основанным на инварианте, была признана XXI ГКМВ в Резолюции 7 в 1999 г. В ней была рекомендация, чтобы «национальные лаборатории продолжали работу, направленную на улучшение экспериментов по привязке единицы массы к фундаментальным или атомным константам, с целью будущего переопределения килограмма» [6].

Обсуждение возможного переопределения килограмма состоялось на 93-м заседании МКМВ в октябре 2004 г. А на 94-м заседании в октябре 2005 г. МКМВ принял рекомендацию о подготовительных мерах по переопределению килограмма, ампера, кельвина и моля таким образом, чтобы эти единицы были привязаны к точно известным значениям фундаментальных констант. С этого момента активизировались экспериментальные и теоретические работы по подготовке реформы СИ во всём мире.

Подготовительные работы к реформе СИ

Основными требованиями к системе единиц являются необходимая точность и стабильность определений основных единиц и методов их реализации, их инвариантность, то есть независимость от времени и места реализации единицы. Эти требования вытекают из постоянно возрастающих потребностей науки, производства, торговли. История развития метрической системы мер, а затем и СИ показала, что единицы, связанные с объектами макромира, быстро перестают удовлетворять этим требованиям.

Объекты, пригодные для определения стабильных единиц с высокой точностью и инвариантных относительно пространственных и временных трансляций, учёные берут сейчас из микромира. Этот путь указал ещё Дж. К. Максвелл. В своей президентской речи перед Британской ассоциацией продвижения науки он говорил [7, стр. 15]: «Если мы хотим получить эталоны длины, времени и массы, которые будут абсолютно неизменными, мы должны искать их не в размерах, или движении, или массе нашей планеты, но в длине волны, периоде колебаний, абсолютной массе устойчивых, неизменных и совершенно одинаковых молекул». И развитие системы единиц действительно пошло по этому пути.

Ядром реформы СИ является переопределение четырёх основных единиц: килограмма, ампера, кельвина и моля на основе фиксации значений четырёх фундаментальных физических констант с нулевой неопределённостью, и применение этого единого принципа к определению всех семи основных единиц СИ, в отличие от трёх различных типов определений в действующей СИ. Каждая основная единица Новой СИ будет связана с некоторой определяющей константой, значение которой будет зафиксировано с нулевой неопределённостью.

Такая процедура уже была успешно опробована в 1983 г., когда зафиксировали с нулевой неопределённостью значение скорости света в вакууме, и определение метра связали с этой величиной вместо прежнего значения метра, связанного с длиной волны оранжевой линии криптона-86. Переход к новому определению метра, конечно, мог изменить величину метра, но только в пределах той погрешности, с которой было измерено в то время наиболее точное значение скорости света. Поэтому все результаты пространственно-временных измерений оставались неизменными в пределах этой погрешности. Точность же последующих измерений длины становилась равной точности измерений времени, которая в начале восьмидесятых годов прошлого века была на полтора-два порядка выше точности измерений длины.

Ещё одним следствием нового определения метра в 1983 г. стало прекращение всех программ измерения скорости света в вакууме, поскольку его значение стало известным точно по определению.

В работе по подготовке реформы СИ, начатой в 2005 г., первой задачей, требующей скорейшего решения, был выбор оптимальной совокупности определяющих констант. Поскольку секунда и метр уже были определены фиксацией точных значений частоты перехода цезия-133 и скорости света в вакууме, а единица силы света также была определена фиксацией точного значения световой эффективности монохроматического излучения, которая является технической константой - коэффициентом пересчёта от энергетических величин к оптическим, то задача состояла в выборе четырёх констант для переопределения килограмма, ампера, кельвина и моля. Выбор трёх констант представлялся почти очевидным: постоянная Больцмана к связывается с единицей термодинамической температуры, постоянная Авогадро NA связывается с единицей количества вещества, элементарный электрический заряд е связывается с единицей силы тока. Хотя относительно постоянной Больцмана были некоторые возражения и споры, но открытое и интенсивное обсуждение в научном сообществе позволило быстро прийти к консенсусу в этом вопросе. Теоретические исследования методов выбора совокупности определяющих констант проводились и в России [8-11].

А вот выбор определяющей константы для единицы массы был непростым. И хотя авторы идеи переопределений четырёх основных единиц СИ [4] предлагали фиксировать постоянную Планка h с реализацией килограмма с помощью ватт-весов, развернулись ожесточённые дискуссии. Было написано множество статей за и против разных вариантов. В основном обсуждались два возможных варианта реализации метра и соответственно две константы, предлагаемые для фиксации. Первый метод - упоминавшиеся уже ватт-весы, использующие фиксированное значение постоянной Планка. Этот метод развивался в национальных метрологических институтах США, Канады, Франции, Испании, Швейцарии. Второй метод - проект Авога-дро, связан с фиксацией с нулевой неопределённостью значения атомной единицы массы u. Его развивали в метрологических институтах Германии, Японии.

В результате длительных обсуждений был выбран набор следующих четырёх фундаментальных констант в качестве определяющих единицы массы - постоянная Планка, силы тока - элементарный электрический заряд, термодинамической температуры - постоянная Больцмана и количества вещества - постоянная Авогадро. Следующая задача, которая на практике решалась параллельно с выбором совокупности определяющих констант, была задача измерения указанных фундаментальных констант, которые будут в дальнейшем зафиксированы как точные, с наивысшей точностью, недоступной в 2005 г. Величины относительных стандартных неопределённостей ur, с которыми требовалось измерить значения констант, должны удовлетворять условиям:

• для постоянной Планка ur(h)<= 2x10 -8,

Страница 1 из 3 Следующая

Добавить комментарий


Главная страница » Каталог статей » О законодательстве » Калинин М.И., "О предстоящей реформе международной системы единиц"