Высшая мераПрактика измерений почти так же стара, как человеческая история. Экономика, основанная на общественном разделении труда и торговле, без измерений существовать не может. Уже первые великие цивилизации Месопотамии, Египта, Индостана и Китая нуждались в создании общепринятых и надежных способов определения расстояний, земельных площадей, веса (или объема) зерна и металлов. Замечательно полная (для своего времени) система мер была создана в Древнем Вавилоне, откуда при посредстве финикийских купцов и мореплавателей распространилась по всему Средиземноморью. Всё можно измеритьДля измерений необходимы
опорные метки — меры. Чтобы стать общепринятыми, они должны быть простыми,
понятными и общедоступными. Поэтому сначала появились «естественные» меры,
которые можно было воспроизвести в любом месте и в любое время. Исторически
эти единицы прежде всего связывались с какими-то свойствами растений,
животных и людей. Так, в древности во многих местах существовала мера
земельной площади, которую называли «бычий рев». Она соответствовала размерам
участка, в пределах которого этот звук отчетливо слышен. Знаменитый и
всё еще употребляемый английский дюйм первоначально определялся как длина
трех пшеничных зерен, взятых из середины колоса. Были меры и посложнее:
например, тысячи лет назад в Китае единицей длины служила полая бамбуковая
палочка, которая при свистке издавала определенный тон. Парижские революционеры
В конечном счете, метрическая система стала детищем Французской революции. Новая парижская власть осознала необходимость навести порядок в средневековых единицах измерений (число которых достигало четверти миллиона!) и принять единую общенациональную систему мер и весов. 9 марта 1790 года Шарль Морис Талейран, впоследствии знаменитый дипломат, а тогда епископ Отенский, предложил Национальному собранию план ее создания, который и был принят депутатами. Рождение метра и килограмма
XIX векБольше 80 лет архивный метр был единственным в мире эталоном
метра, а после 20 мая 1875 года представители 17 стран (в том числе и
России) подписали в Париже Метрическую конвенцию и учредили несколько
межгосударственных метрологических организаций. В 1877 году лондонская
фирма Johnson, Matthey and Co. изготовила несколько платиново-иридиевых
линеек Х-образного сечения, одна из которых оказалась лишь на 6 мкм короче
архивного метра (ее использовали как временный эталон), а в 1882-м было
сделано еще 30 линеек, среди которых нашлась практически точная копия
архивного метра. В 1889 году Первая Генеральная конференция по мерам и
весам постановила считать длину этой линейки при температуре 0°С метрической
единицей длины.
|
Электрические единицы Определение основной электрической единицы — ампера — остается неизменным с 1948 года. Это сила постоянного тока, который при прохождении по двум расположенным в вакууме и удаленным на метр друг от друга параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и пренебрежимо малой площади сечения заставлял бы их притягиваться друг к другу с силой в две десятимиллионные доли ньютона в расчете на метр длины. Разумеется, изготовить эталон на базе этого определения невозможно, но, к счастью, и не нужно. Ампер можно реализовать посредством измерения силового взаимодействия между токами любой конфигурации, если только правильно рассчитать геометрию прибора. В СССР был принят Государственный первичный эталон ампера, который был реализован с помощью токовых весов, воспроизводящих ампер с точностью до 10-5. Такой же прибор был установлен в британской Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (сейчас — Национальная лаборатория измерений). В США ампер сначала был воспроизведен через эталонный вольт (очень стабильные электрические батареи) и эталонный Ом (прецизионные проволочные резисторы), изготовленные и откалиброванные в Национальном бюро стандартов (современный NIST). Отношение вольта и Ома дало эталонный ампер с точностью 10-7. В настоящее время как в США, так и в других странах вольт реализуют с помощью квантового низкотемпературного эффекта Джозефсона, а ом — с помощью квантового эффекта Холла (такой стандарт с 1990 года принят по всему миру). Это позволяет воспроизводить ампер с отклонением, не превышающим 10-9. Однако не исключено, что в будущем определение ампера пересмотрят, выразив его через элементарный заряд электрона. |
Некоторое время практические единицы существовали в стороне
от метрических. Но в 1901 году итальянский инженер Джованни Джорджи показал,
что любую из них можно добавить к метру, килограмму и секунде и получить
новую систему, имеющую безупречную логическую структуру и приспособленную
для нужд техники. Центральное положение в новой системе, по мысли Джорджи,
должны занимать практические энергетические единицы — ватт и джоуль (последний
был определен 2-м Международным конгрессом электриков в 1889 году как
механический эквивалент электрической и тепловой энергии).
Идеи Джорджи обсуждались без малого полвека и были окончательно приняты
Международным комитетом мер и весов лишь в 1946 году. В качестве четвертой
опоры (основной единицы) новой системы была выбрана практическая единица
силы тока, ампер, определенная резолюцией 9-й Генконференции по мерам
и весам (1948). В соответствии с традицией эту систему назвали MKSA (метр,
килограмм, секунда, ампер).
Чуть позднее в MKSA решили добавить единицы температуры и силы света.
В принципе для этого достаточно энергетических единиц (физики с равным
успехом выражают энергию частиц и в электронвольтах, и в градусах), но
для метрологии нужны реализуемые на практике эталоны. В 1954 году 10-я
Генеральная конференция по мерам и весам утвердила в этом качестве кельвин
и канделу. Эта пара плюс еще четыре основные единицы MKSA и стали фундаментом
системы Systeme International d'Unites (SI или СИ), наследницы Метрической
конвенции 1875 года, официально утвержденной в 1960 году на 11-й Генконференции
по мерам и весам в Париже. В 1971 году к этой шестерке добавили еще и
единицу количества вещества — моль. Кроме того, в SI вошли дополнительные
безразмерные единицы для измерения плоских и телесных углов — радиан и
стерадиан.
Система SI существует чуть больше 50 лет, однако за это время некоторые единицы измерения пришлось переопределить. В частности, метровая линейка уже около полувека не является эталоном длины. В 1948 году 9-я Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала ввести эталон, базирующийся на оптических измерениях, и в 1960-м за метр приняли 1 650 763,73 длины волны излучения криптона-86, генерируемого при переходе оболочечных электронов с уровня 2p10 на уровень 5d5. Но и это определение продержалось недолго. Через два десятка лет после его введения метрологи пришли к выводу, что длину метра следует определить на основе эталона времени, поскольку атомные часы тогда обеспечивали большую точность, нежели интерференционные линейки. В итоге в 1983 году метр определили как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды. Таким образом, основой метрологического эталона стал постулат специальной теории относительности, который утверждает, что скорость света в вакууме является фундаментальной мировой константой.
В стронциевых оптических часах ионы стронция помещены в оптическую ловушку на перекрестье шести лазерных лучей. Под воздействием электромагнитных волн лазеров ионы прочно «сидят» в энергетических ямах, слабо взаимодействуя друг с другом и излучая голубой свет с частотой около 429 терагерц. Стронциевые часы в тысячу раз точнее цезиевых, используемых сегодня как эталон времени и частоты. Возможно, вскоре эталон будет заменен. |
Сама секунда тоже с 1967 года не является 1/86400 частью суток, а определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия с атомным весом 133. В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило, что в этом определении фигурирует атом цезия, который покоится при нулевой абсолютной температуре. В новейших моделях цезиевых часов (их называют фонтанными) это требование почти идеально реализуется с помощью лазерного охлаждения атомов. Эталонные цезиевые часы американского Национального института стандартов и технологии (NIST) сейчас обеспечивают относительную точность воспроизведения единицы времени — секунды на уровне ~ 3,3 * 10-16. «Это самые точные часы в мире, — говорит Виталий Пальчиков, начальник отделения метрологии времени и пространства ФГУП «ВНИИФТРИ» (Всероссийский НИИ физико-технических и радиотехнических измерений). — Наши эталонные часы уступают им почти в 100 раз: российский государственный стандарт времени и частоты — цезиевые часы «без охлаждения» — имеет относительную точность 3 * 10-14. Но в ближайшее время мы намерены ликвидировать отставание, построив фонтанный цезиевый эталон. А вообще, наилучшую перспективу на ближайшее будущее имеют оптические стандарты частоты, основанные на переходах в однократных ионах ртути, иттербия или стронция или в нейтральных атомах стронция или ртути — они чрезвычайно стабильны во времени. Уже сейчас точность отдельных экспериментальных образцов достигает 2 * 10-15 секунды и даже выше, а теоретически они способны обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10-17–10-18».
Возвращение к естественным единицам |
|
«Такова основная тенденция в метрологии в настоящее время, — пояснил «Популярной механике» Барри Тейлор, много лет возглавлявший Центр фундаментальных констант Физической лаборатории NIST, а сейчас представляющий свой институт в расположенном в Париже международном Консультативном комитете по единицам измерений (ComitО Consultatif des UnitОs). — Сейчас метрологи для реализации эталонов основных единиц стараются полагаться на фундаментальные физические константы. Это, во-первых, обеспечивает максимальную точность измерений, а во-вторых, позволяет с равной надежностью воспроизводить эталонные единицы в любой лаборатории, располагающей нужным оборудованием». Новая стратегия была официально утверждена в октябре 2005 года на 94-й сессии Международного комитета мер и весов, который рекомендовал переопределить таким образом эталоны килограмма, ампера, кельвина и моля. Любопытно, что ее можно рассматривать как возвращение (на более высоком уровне, конечно) к древнему методу использования естественных единиц. Воистину, познание развивается по спирали! |
Единственный оставшийся «механический» эталон — это килограмм.
Но даже масса главного международного эталона со временем меняется — к
настоящему времени считается, что он «похудел» на 50 мкг за счет микропереноса
вещества на поверхность подставки во время хранения, а также на поверхность
захватов, которыми его перемещают при сверке с национальными эталонами.
Всё это может искажать результаты сверхточных научных расчетов, поэтому
ученые задумываются о необходимости дать новое определение килограмму.
В 1975 году доктор Брайан Киббл из Национальной физической лаборатории
(NPL) Великобритании предложил идею так называемых ватт-весов. Это устройство
позволяет связать между собой единицы электрической и механической мощности.
«Эта связь — основа метрологии, — объясняет «Популярной механике» ведущий
научный сотрудник Всероссийского НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева Эдмунд
Француз. — Весы состоят из двух катушек, взаимодействующих между собой
при протекании электрического тока. В отличие от токовых весов, здесь
используется дополнительная калибровка при движении катушки с известной
скоростью в эталонном магнитном поле. За счет этого удается существенно
уменьшить ошибку измерения силы взаимодействия, обусловленную геометрией
катушки. Таким образом можно выразить килограмм через электрические единицы,
измеренные на основе квантовых эффектов, то есть через фундаментальные
константы, — это позволит избавиться от «механического» эталона. Пока
что работающие ватт-весы реализованы в США в NIST и в NPL, но на данный
момент наименьшая погрешность их измерений составляет 3,6 * 10-8, что
минимум в два раза хуже, чем необходимо для эталона».
Другой способ переопределить килограмм предложила группа ученых из Германии,
Австралии, Италии и Японии под руководством исследователей из Физико-технического
института Германии. Они намерены использовать «метод Авогадро», то есть
определить килограмм как энное число атомов. «Основные трудности этого
метода в том, что нужно построить идеальную кристаллическую решетку, —
говорит Эдмунд Француз, — без единого дефекта, и притом из одного изотопа
— кремния-28. Относительная погрешность этого метода пока еще слишком
велика — 3,1 * 10-7. Кстати, было еще одно направление, которое разрабатывалось
у нас во ВНИИМ и в Японии, — метод левитирующей сверхпроводниковой массы,
который обеспечивал точность порядка 4 * 10-6. Но по различным причинам
исследования не были завершены ни в одной из стран».
Так что килограмм пока остается последним чисто механическим эталоном.
Статья Алексея Левина и Дмитрия Мамонтова из журнала "Популярная механика" и с сайта http://elementy.ru/lib/430634