Международная система единиц СИ: предсказуемое будущее

Метрологии свойственен разумный консерватизм. Она (метрология) — одна из надежных, привычных опор в нашем быстроменяющемся мире. Самое весомое доказательство этого тезиса — сто тридцать два года действия Метрической Конвенции 1875 года. В то же время, метрология должна откликаться на появление новых областей знания, новых средств измерений, новых методик измерений и т.п. Примеры — появление Руководства по выражению неопределенности измерений; калибровка средств измерений; ожидаемое появление новой редакции Закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений».

Все это требует переосмысления ряда нормативных документов в области метрологии, подготовки (переподготовки) кадров метрологов, разработки новых государственных эталонов и многого другого.

При этом все звенья метрологии должны свято блюсти основной принцип, сближающий метрологию и медицину: «не навреди». Все новации, идущие сверху, должны минимально сказываться (или вообще не сказываться) на метрологической практике промышленных предприятий, розничной торговли, измерениях в быту. Иначе воцарится хаос. Привить принципиально другие метрологические навыки многомиллиардному человечеству невозможно. Новации, осуществляемые наверху (а они неизбежны) должны плавно затухать на пути вниз, к рядовому потребителю.

Так что же метрологов может ожидать сверху? Мы привыкли проводить границу между Международной системой единиц СИ и, так называемыми, естественными системами единиц. Вместо привычных секунды, метра, килограмма и т.д. здесь присутствуют гравитационная постоянная, скорость света в вакууме, постоянная Планка, постоянная Больцмана, заряд и масса электрона, радиус первой боровской орбиты в атоме водорода, диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума и т.п.

Но, как отметил в беседе со мной Лев Константинович Исаев, вице-президент Международного комитета законодательной метрологии и член Международного комитета мер и весов, эта граница постепенно размывается, исчезает. Уже сегодня в определениях основных и важнейших производных единиц СИ фигурируют скорость света в вакууме, абсолютный нуль термодинамической температуры, внутриатомные константы атома цезия, константы Джозефсона и Клитцинга.

Не исключена ситуация, когда во главе СИ вместо привычных основных единиц окажется совокупность Фундаментальных Физических Констант.

Возникает серьезная и техническая, и законодательная проблема, которую нужно будет решать исходя из уже провозглашенного принципа «не навреди».

Чтобы не быть голословным, сошлюсь на программную статью «Переопределение килограмма, ампера, кельвина и моля», содержащую метод, предлагаемый для выполнения Рекомендации 1 МКМВ (С1-2005) (Metrologia, 43 (2006) 227-246).

Отправной, опорной точкой статьи является следующее замечание Д.К. Максвелла, сделанное еще в 1870 г. по поводу определений секунды, метра и килограмма, опирающихся на размеры Земли и период ее вращения. Максвелл писал, что эти «инварианты природы» не являются настоящими инвариантами, поскольку «параметры нашей планеты могут измениться и она при этом не перестанет быть нашей планетой, но если характеристики атома изменились бы, он стал бы уже другим атомом». К характеристикам атомов теперь добавятся, конечно, фундаментальные константы природы. Однако существовавшая в то время технология и научные познания не позволили внедрить принципы Максвелла и, таким образом, Метрическая конвенция 1875 г. отдала предпочтение учреждению новых прототипов-артефактов метра и килограмма, которые должны были храниться в Международном бюро мер и весов (МБМВ). Первая Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1889 г. официально утвердила новые прототипы в качестве определений этих единиц.

В мою задачу не входит пересказ всей обширной и чрезвычайно сложной, и многоплановой статьи. Я ограничусь лишь одним предлагаемым вариантом построения будущей СИ, в котором мировые константы выступят в явном виде. Начну, естественно, с метра, значение которого уже привязано к точному значению скорости света в вакууме. Его определение в таком варианте СИ читалось бы так: «Метр, единица длины, таков, что скорость света в вакууме равна точно 299 792 458 метров в секунду».

Такое определение выгодно отличается простотой, четкостью и ясно указывает фундаментальную константу, к которой привязана единица, и ее точное значение. Если бы была принята эта обобщенная форма, определениям для всех семи основных единиц следовало бы придать такую же форму. Таким образом, мы бы имели следующие определения:

- секунда, единица времени, такова, что частота перехода между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133 равна точно 9 192 631 770 герц;

- кандела, единица силы света в заданном направлении, такова, что спектральная световая эффективность монохроматического излучения частотой 540^.10¹² герц, точно равна 683 люменам на ватт;

- килограмм, единица массы, таков, что постоянная Планка точно равна 6,626069^.10^-34 Дж^.с;

- ампер, единица электрического тока, таков, что элементарный заряд точно равен 1,60217653^.10^-19 кулона;

- кельвин, единица термодинамической температуры, таков, что постоянная Больцмана точно равна 1,3806505^.10^-23 джоуля на кельвин;

- моль, единица количества вещества специфицированного структурного элемента, которым может быть атом, молекула, ион, электрон, любая другая частица или специфицированная группа таких частиц, таков, что постоянная Авогадро точно равна 6,0221415^.10²³/моль.

Возможен и вариант с единицами в явном виде, но я его здесь не рассматриваю.

Авторы статьи полагают, что все новые определения должны быть приняты одновременно. При этом нивелируется различие между основными и производными единицами. Они утверждают также, что «значение СИ как общего языка измерений для внятного диалога между практической метрологией и квантовой физикой значительно возрастает». Они считают также, что новые определения должны быть приняты не позднее 2011 года, иначе СИ может стать препятствием на пути прогресса.

In this article, the author continues to tell about International System of units (SI). The “predictive future” of SI is considered.

Автор(ы): Брянский Л.Н.
Номер журнала: КИПиС 2007 № 5