2018 lze nazvat v metrologii osudovým, protože je to doba skutečné technologické revoluce v mezinárodní soustavě jednotek fyzikálních veličin SI. Jde o revizi definic hlavních fyzikálních veličin. Bude teď kilogram brambor v supermarketu vážit novým způsobem? C brambory budou stejné. Něco jiného se změní.
Před systémem SI
Ve starověku byly potřeba společné standardy pro váhy a míry. Ale obecná pravidla pro měření se stala zvláště nezbytná s příchodem vědeckého a technologického pokroku. Vědci potřebovali mluvit společným jazykem: jedna noha je kolik centimetrů? A co je to centimetr ve Francii, když to není totéž jako italština?
Francii lze nazvat čestným veteránem a vítězem historických metrologických bitev. Právě ve Francii v roce 1791 byl systém měření oficiálně schválen a jejichjednotky a definice hlavních fyzikálních veličin byly popsány a schváleny jako státní dokumenty.
Francouzi byli první, kdo pochopil, že fyzikální veličiny by měly být vázány na přírodní objekty. Například jeden metr byl popsán jako 1/40 000 000 délky poledníku od severu k jihu směrem k rovníku. Byl tedy připoután k velikosti Země.
Jeden gram je také spojen s přírodními jevy: byl definován jako množství vody v krychlovém centimetru při teplotě blízké nule (tání ledu).
Jak se ale ukázalo, Země není vůbec dokonalá koule a voda v krychli může mít různé vlastnosti, pokud obsahuje nečistoty. Proto se velikosti těchto veličin v různých částech planety od sebe mírně lišily.
Na počátku 19. století vstoupili do podnikání Němci pod vedením matematika Karla Gausse. Navrhl aktualizovat systém centimetr-gram-sekunda a od té doby metrické jednotky šly do světa, vědy a byly uznány mezinárodním společenstvím, byl vytvořen mezinárodní systém jednotek fyzikálních veličin.
Bylo rozhodnuto nahradit délku poledníku a hmotnost krychle vody normami, které byly uloženy v Úřadu pro váhy a míry v Paříži, s distribucí kopií do zemí účastnících se metriky konvence.
Kilogram například vypadal jako válec ze slitiny platiny a iridia, což se nakonec také nestalo ideálním řešením.
Mezinárodní systém jednotek fyzikálních veličin SI vznikl v roce 1960. Nejprve jich bylo šestzákladní veličiny: metry a délka, kilogramy a hmotnost, čas v sekundách, síla proudu v ampérech, termodynamická teplota v kelvinech a svítivost v kandelách. O deset let později k nim přibyl ještě jeden - množství látky, měřené v molech.
Je důležité vědět, že všechny ostatní jednotky měření fyzikálních veličin mezinárodní soustavy jsou považovány za derivace základních, to znamená, že je lze vypočítat matematicky pomocí základních veličin soustavy SI.
Pryč od standardů
Ukázalo se, že fyzikální normy nejsou nejspolehlivějším systémem měření. Samotný kilogramový standard a jeho kopie podle zemí se pravidelně vzájemně porovnávají. Odsouhlasení ukazují změny v hmotnostech těchto norem, ke kterým dochází z různých důvodů: prach při ověřování, interakce se stojanem nebo něco jiného. Vědci si těchto nepříjemných nuancí všimli již dlouho. Nastal čas revidovat parametry jednotek fyzikálních veličin mezinárodního systému v metrologii.
Některé definice veličin se proto postupně měnily: vědci se snažili oprostit se od fyzikálních standardů, které tak či onak měnily své parametry v průběhu času. Nejlepším způsobem je odvodit veličiny z hlediska neměnných vlastností, jako je rychlost světla nebo změny ve struktuře atomů.
V předvečer revoluce v systému SI
Zásadní technologické změny v mezinárodní soustavě jednotek fyzikálních veličin se provádějí hlasováním členů Mezinárodního úřadu pro váhy a míry na výroční konferenci. Pokud budou schváleny, změny se projeví po několika dnechměsíců.
To vše je nesmírně důležité pro vědce, jejichž výzkum a experimenty vyžadují maximální přesnost měření a složení.
Nové referenční standardy pro rok 2018 pomohou dosáhnout nejvyšší úrovně přesnosti při jakémkoli měření v jakémkoli místě, čase a měřítku. A to vše bez ztráty přesnosti.
Předefinování veličin v soustavě SI
Týká se čtyř ze sedmi provozních základních fyzikálních veličin. Bylo rozhodnuto předefinovat následující veličiny pomocí jednotek:
- kilogram (hmotnost) pomocí jednotek Planckovy konstanty ve výrazu;
- ampér (proud) s měřením nabití;
- kelvin (termodynamická teplota) s jednotkovým vyjádřením pomocí Boltzmannovy konstanty;
- mol prostřednictvím Avogadrovy konstanty (množství látky).
U zbývajících tří veličin bude znění definic změněno, ale jejich podstata zůstane nezměněna:
- metr (délka);
- sekunda (čas);
- candela (intenzita světla).
Změny s Amp
Co je dnes ampér jako jednotka fyzikálních veličin v mezinárodní soustavě SI, bylo navrženo již v roce 1946. Definice byla vázána na sílu proudu mezi dvěma vodiči ve vakuu ve vzdálenosti jednoho metru, specifikující všechny nuance této struktury. Nepřesnost a těžkopádné měření jsou dvě hlavní charakteristiky této definice z dnešního pohledu.
V nové definici je ampér elektrický proud rovnýtok pevného počtu elektrických nábojů za sekundu. Jednotka je vyjádřena v elektronových nábojích.
K určení aktualizovaného ampéru je potřeba pouze jeden nástroj - takzvaná jednoelektronová pumpa, která je schopna pohybovat elektrony.
Nová čistota molů a křemíku 99,9998 %
Stará definice molu souvisí s množstvím hmoty rovnajícím se počtu atomů v izotopu uhlíku o hmotnosti 0,012 kg.
V nové verzi se jedná o množství látky, které je obsaženo v přesně definovaném počtu specifikovaných strukturních jednotek. Tyto jednotky jsou vyjádřeny pomocí Avogadroovy konstanty.
S Avogadrovým číslem je také mnoho starostí. Pro jeho výpočet bylo rozhodnuto vytvořit kouli z křemíku-28. Tento izotop křemíku se vyznačuje precizní krystalickou mřížkou k dokonalosti. Proto lze počet atomů v něm přesně spočítat pomocí laserového systému, který měří průměr koule.
Samozřejmě by se dalo namítnout, že mezi koulí z křemíku-28 a současnou slitinou platiny a iridia není žádný zásadní rozdíl. Jak tato, tak i další látka ztrácí atomy v čase. Prohrává, správně. Ale křemík-28 je ztrácí předvídatelným tempem, takže reference budou neustále upravovány.
Nejčistší křemík-28 pro kouli byl nedávno získán v USA. Jeho čistota je 99,9998 %.
A teď Kelvin
Kelvin je jednou z jednotek fyzikálních veličin v mezinárodním systému a používá se k měření úrovně termodynamické teploty. "Starým způsobem" se rovná 1/273, 16části teploty trojného bodu vody. Trojný bod vody je mimořádně zajímavou složkou. Toto je úroveň teploty a tlaku, při které je voda ve třech skupenstvích najednou – „pára, led a voda“.
Definice „kulhání na obě nohy“z následujícího důvodu: hodnota kelvinů závisí především na složení vody s teoreticky známým poměrem izotopů. V praxi však nebylo možné získat vodu s takovými vlastnostmi.
Nový kelvin bude definován následovně: jeden kelvin se rovná změně tepelné energie o 1,4 × 10−23j. Jednotky jsou vyjádřeny pomocí Boltzmannovy konstanty. Nyní lze úroveň teploty měřit stanovením rychlosti zvuku v plynové kouli.
Kilogram bez normy
Už víme, že v Paříži existuje etalon platiny s iridiem, který během používání v metrologii a soustavě jednotek fyzikálních veličin nějak změnil svou hmotnost.
Nová definice kilogramu zní: Jeden kilogram je vyjádřen jako Planckova konstanta děleno 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
Měření hmotnosti lze nyní provádět na "wattových" vahách. Nenechte se zmást názvem, nejedná se o obvyklé váhy, ale o elektřinu, která stačí ke zvednutí předmětu ležícího na druhé straně váhy.
Změny v principech konstrukce jednotek fyzikálních veličin a jejich soustavy jako celku jsou nutné především v teoretických oblastech vědy. Hlavní faktory v aktualizovaném systémujsou nyní přirozené konstanty.
Toto je logický závěr mnohaleté činnosti mezinárodní skupiny seriózních vědců, jejichž úsilí po dlouhou dobu směřovalo k nalezení ideálních měření a definic jednotek na základě zákonů základní fyziky.
