Линейка цифровой эпохи

Все семь базовых единиц физических измерений теперь определяются вне связи с объектами макромира, через фундаментальные константы
Линейка цифровой эпохи
Директор Международного бюро мер и весов Мартин Милтон выступает на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам
CGPM

16 ноября в Париже на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам подведены итоги многолетней работы мирового научно-технического сообщества. Переопределены четыре единицы измерения. Килограмм, эталоном которого ранее служил цилиндр из платино-иридиевого сплава, определен через постоянную Планка; единица силы электрического тока ампер — через квантовые эффекты Холла и Джозефсона; единица измерения количества вещества моль — через постоянную Авогадро, а единица термодинамической температуры кельвин — через постоянную Больцмана. Изменения вступят в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.

Ранее были утверждены новые стандарты канделы (сила света), метра (длина) и секунды (время).

«Завершение пересмотра СИ (SI, Le Système International d’Unités — международная система единиц. — “Стимул”) — это историческая веха, вторая после принятия Международной метрической конвенции в 1875 году. Мы говорим об окончательном отказе от связи СИ с артефактами», — заявил директор Международного бюро мер и весов (город Севр, Франция) Мартин Милтон.

Россия остается в числе ведущих стран, обеспечивающих единство и достоверность измерений на глобальном уровне. «Мы полноправно участвуем в работе международных консорциумов, которые разрабатывают научную основу для переопределения единиц величин. По своим измерительным возможностям, признанным на международном уровне, Россия удерживает второе место в мире, опережая многие экономически и технологически развитые страны. Критически важно сохранить наш внушительный пакет измерительных и калибровочных возможностей. Это невозможно без модернизации базы первичных государственных эталонов при переходе на новую международную систему единиц», — рассказал в интервью РИА «Новости» руководитель Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Алексей Абрамов.

МЕТР КИЛО.png
Артефакты килограмма. Сфера и цилиндр
ВНИИФТРИ

 

История координат

Необходимость во всеобщей системе мер существовала с древних времен, но особенно она возросла с началом научно-технического прогресса, ведь ученым надо было иметь общий язык измерений, чтобы обмениваться результатами своих исследований. Поэтому в 1795 году во Франции была официально принята метрическая система, а определения основных величин закрепили в государственных документах. Для того чтобы придать системе универсальность, все ее величины были привязаны к природным объектам.

magnifier.png Произошел окончательный отказ от связи семи базовых единиц международной системы измерений с артефактами макромира. Это является исторической вехой, второй после принятия Международной метрической конвенции в 1875 году

К примеру, метр в ней описывался как одна сорокамиллионная доля меридиана. Соответственно, предполагалось, что величина, привязанная к размеру Земли, будет измеряема в любой точке планеты. То же касалось и массы: грамм изначально определялся как масса кубического сантиметра воды при температуре плавления льда.

Но так как Земля не идеально сферическая, а вода может содержать примеси, результаты измерений этих величин немного разнились у разных исследователей в разных точках планеты. Поэтому во второй половине XIX века было решено переопределить длину и массу через эталоны, оригиналы которых хранились в штаб-квартире Бюро мер и весов в пригороде Парижа Севре, а их точные копии были предоставлены в аналогичные метрологические организации стран, подписавших в 1875 году метрическую конвенцию.

В середине ХХ века началась разработка новой универсальной системы мер, которая отвечала бы современным требованиям и реалиям науки. И в 1960 году была принята Международная система единиц (SI). Первоначально в нее было включено шесть величин, считающихся основными: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Количество вещества, измеряемое в молях, было добавлено в СИ в 1971 году. Все остальные физические величины являются производными, то есть могут быть математически выведены через основные.

С момента принятия системы СИ некоторые определения величин менялись. К примеру, метр был привязан к скорости света в вакууме, а секунда — к количеству сверхтонких переходов в атоме цезия-133. Таким образом, шесть из семи величин были избавлены от физических эталонов и выводились через неизменные физические свойства и явления, такие как скорость света или периодические изменения в энергетической структуре атомов.

magnifier.png Эталоны килограмма состоят из сплава платины и иридия в соотношении 9:1. Это цилиндры с равными высотой и диаметром (39 мм), что позволяет уменьшить площадь поверхности, а следовательно, и износ копии

И только килограмм определялся как единица массы, равная массе международного прототипа килограмма (МПК). Эталоны килограмма состоят из сплава платины и иридия в соотношении 9:1. Ученые решили сделать их в форме цилиндра с равными высотой и диаметром — немногим более 39 миллиметров. Равные размеры были выбраны для того, чтобы уменьшить площадь поверхности, а следовательно, и износ эталона.

Как рассказали «Стимулу» в пресс-службе Всероссийского научно-исследовательского института метрологии (ВНИИМ) имени Д. И. Менделеева, в 1893 году Россия получила две копии — № 12 и № 26. Копия № 12 выполняет роль национального прототипа килограмма, а копия № 26 — роль эталона-свидетеля, который в случае порчи или утраты копии № 12 может ее заменить. Все время, включая три революции, Гражданскую и две мировые войны и даже в Ленинградскую блокаду копии хранились и по сей день хранятся в лаборатории массы и силы ВНИИМ им. Д. И. Менделеева — преемника Главной палаты мер и весов.

Систематическое изменение массы копии килограмма № 12 за сто с лишним лет составило около 30 мкг, то есть 0,3 мкг за год по отношению к МПК. Остальные платино-иридиевые копии также изменились по сравнению с МПК на величину от 20 до 50 мкг.

magnifier.png Мерой сравнения единицы массы, привязанной к фундаментальной физической константе, постоянной Планка, станет идеальная сфера из моноизотопного кремния — химического элемента с хорошо изученной атомной структурой

«На первый взгляд людям, может быть, и не очень-то понятно, к чему нужна такая точность, — рассказывает Алексей Абрамов. — Какое значение имеет повышение, скажем, в сто раз, точности эталона, у которого она уже давно существенно превосходит бытовые потребности? Но нам же килограмм нужен не только для того, чтобы купить упаковку сахара в магазине. А ведь помимо килограмма в системе СИ существуют и другие единицы измерения. Точность измерений — это запрос прежде всего технологического развития. Вот с ним человечество как раз и подошло к цифровой эпохе. Измерения — это то, что переводит объекты физического мира в цифровые данные. От точности измерений зависит качество цифровых двойников реальных объектов».

МЕТР КОМПОРАТОР.png
Компоратор массы
ВНИИФТРИ

По словам руководителя Росстандарта, ученые пришли к договоренности, что новое определение секунды, килограмма и других единиц должно основываться на величинах, которые человечество смогло измерить с максимально доступной точностью. И что особенно важно, они выступают физическими константами, то есть не меняют свои значения и могут быть взяты за некую точку отсчета. Например, килограмм привязывается к постоянной Планка (h = 6 626 070 040), это точка отсчета — условный ноль. Это позволит провести на самом высоком уровне точности самые разные работы, к примеру с малыми массами, которые применяются в фармацевтике, микроэлектронике и множестве других отраслей, где точность измерений на первом месте.

Мерой сравнения единицы массы, привязанной к фундаментальной физической константе, станет идеальная сфера из моноизотопного (очищенного) кремния — химического элемента с хорошо изученной атомной структурой. В отличие от артефакта килограмма ее сохранность не будет критической, так как любой национальный метрологический институт, обладая необходимым научно-техническим уровнем, сможет ее воспроизвести, что было бы невозможно при утрате МПК.

magnifier.png Кельвин будет воспроизводиться на основе известного значения постоянной Больцмана на аппаратуре, включающей в себя акустический газовый термометр

Копии МПК № 12 и № 26 входят в состав Государственного первичного эталона единицы массы и являются государственным достоянием. Сама лаборатория располагается в историческом здании, спроектированном Дмитрием Ивановичем Менделеевым для хранения эталонов. Особенностью помещения является изолированный фундамент массой 750 тонн и термостабилизация окружающего воздуха от 18 до 22 оС с погрешностью не более 0,1 оС в час. Поскольку рядом с институтом располагается станция метро, из-за вибрации в дневное время все работы по передаче единицы для вторичных эталонов и метрологические сличения производятся в ночное время. Кроме копий в состав эталона входят комплекты различных компараторов массы, аппаратура для измерений плотности воздуха. Поскольку передача единицы после перехода на фундаментальные физические константы (ФФК) должна осуществляться в условиях вакуума, ВНИИМ ввел в эксплуатацию вакуумный компаратор массы.

Какова же будет судьба национальных копий МПК после переопределения, как будет происходить переход на новое определение килограмма? В тех странах, которые пока не располагают аппаратурой и методикой для определения килограмма через фундаментальные физические константы, национальные копии МПК будут продолжать играть ту же роль, что и раньше. Различие в том, что эти страны смогут обращаться за «единицей» не только в Международное бюро мер и весов, но и в национальные метрологические институты. Наша российская платино-иридиевая копия МПК — национальный прототип килограмма № 12, сличался с МПК в 2014 году, результаты сличений будут действовать как минимум десять лет, и необходимость его перекалибровки появится не раньше 2024–2029 годов. Точность, с которой измеряется масса копий, составляет примерно 3  × 10–8 кг с учетом нестабильности массы МПК.

К этому сроку в России планируется осуществить работы для независимой реализации килограмма через постоянную Планка с необходимой точностью порядка 2 × 10–8 кг. Существенным отличием от предыдущих методик является то, что реализация единицы должна проходить в условиях вакуума для достижения требуемой точности. Методики вакуумного взвешивания в России освоены.

МЕТР АККУСТИЧ ТЕРМ.png
Акустический газовый термометр для измерения сверхнизких температур с высокой точностью создан учеными ВНИИФТРИ
ВНИИФТРИ

 

«Правильный» российский термометр

«Кельвин будет воспроизводиться на основе известного значения постоянной Больцмана на аппаратуре, включающей в себя акустический термометр, — рассказал “Стимулу” генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Сергей Донченко. — ВНИИФТРИ активно участвует в международных сличениях значений единицы температуры благодаря созданию акустического газового термометра, с помощью которого реализуется определение постоянной Больцмана. Значение постоянной Больцмана, полученное на аппаратуре ВНИИФТРИ, хорошо согласуется со значением, установленном в новой системе единиц СИ, что позволит Российской Федерации сохранить метрологическую независимость в этом виде измерений и обеспечить измерение температуры с наивысшей точностью, не уступающей лучшим мировым достижениям».

МЕТР ДОНЧЕНКО.png
Генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Сергей Донченко
ВНИИФТРИ

Акустический газовый термометр для измерения сверхнизких температур с высокой точностью создали ученые ВНИИФТРИ, «Стимул» подробно рассказывал об этом уникальном приборе.

По словам Сергея Донченко, в уравнения, связывающие универсальные константы и традиционные единицы измерений, входит значение частоты, которая в настоящее время измеряется с наивысшей точностью среди всех измеряемых величин.

Единицу времени секунду, однозначно связанную со значением частоты, на 26-й Генеральной конференции по мерам и весам не переопределяли, но было отмечено, что в мире достигнут существенный прогресс в создании высокоточных оптических часов и, возможно, на следующей Генеральной конференции через четыре года определение секунды изменят, и оно будет основано на колебаниях в оптическом диапазоне.

«ВНИИФТРИ при поддержке Росстандарта проводит большую работу по разработке оптических часов, не уступающих лучшим зарубежным образцам, — пояснил Сергей Донченко. — Это позволит России сохранить свои позиции в мировой метрологии в этом виде измерений, а также обеспечить навигационные системы следующего поколения, внедрение систем связи пятого поколения, повышение скорости и надежности банковских операций, внедрение передовых систем кодирования информации и создания защищенных систем передачи информации».

magnifier.png Определение секунды через атомные часы позволит с высокой точностью определять местоположение объекта на местности, что важно, например, в обеспечении безопасности беспилотного транспорта

В своем недавнем интервью «Стимулу» руководитель ВНИИФТРИ уже рассказывал об оптических часах на холодных атомах стронция, погрешность которых составляет одну секунду в несколько миллиардов лет, а также о многих других уникальных разработках института.

Переопределение единиц СИ открывает новые возможности для использования научных и технических инноваций в повседневной жизни. Более точное измерение температуры позволит усовершенствовать мониторинг и повысить точность прогноза климатических изменений. Определение секунды через атомные часы позволит с высокой точностью определять местоположение объекта на местности, что важно, например, в обеспечении безопасности беспилотного транспорта. Без измерений нового поколения точности будет невозможным развитие технологий для интернета и мобильной связи, навигационных систем и технологий для умных городов.

Еще по теме