Единицы системы СИ определят в 2014 году с помощью фундаментальных постоянных

22.11.2011

Известно, что все единицы в системе СИ сводятся к семи основным - ампер (сила тока), моль (количество вещества), килограмм (масса), кельвин (температура), секунда (время), метр (расстояние) и кандела (cила света). Три из них - секунда, метр и кандела - при этом связаны с фундаментальными константами.

Например, окончательно утвержденное в 1997 году определение секунды - интервал времени, равный 9192631770 периодам излучения атома цезия-133 при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома в покое и при абсолютном нуле. Несмотря на громоздкость этого определения, оно удобнее для применения в физике, чем связанное с вращением Земли.

До последнего времени четыре других величины - ампер, моль, кельвин и килограмм - определялись исходя из других соображений. Например, кельвин связан с тройной точкой воды (при определенном соотношении давления и температуры вода может существовать сразу в трех состояниях), а килограмм определен при помощи эталона из платиноиридиевого сплава, хранящегося в палате мер и весов. В рамках нового предложения оставшиеся единицы планируется также переопределить новым образом.

Согласно принятому предложению, ампер - это сила тока, при которой элементарный электрический заряд равен 1,60217653·10^-19 кулона (кулон определяется как заряд, прошедший через проводник при силе тока в один ампер за одну секунду). Кельвин предлагается определить так, чтобы постоянная Больцмана была равна 1,3806505· 10^-23 джоулей на кельвин, моль - чтобы постоянная Авогадро была в точности 6,0221415· 10²³ на моль, а килограмм - чтобы постоянная Планка была равна 6,6260693· 10^-34 джоулей-секунд.

Потребность в разработке стандартов, ориентируясь на которые можно определять значения массы, времени, длины и температуры (а после появления физики еще силы света, силы тока и единицы вещества) возникла у человечества давно.

В 1789 году король Франции Людовик XVI поручил группе ученых, куда входили Пьер Лаплас, Адриен Лежандр, Антуан Лавуазье и многие другие светила мировой науки того времени, разработать единую метрическую систему.

Новая система с самого начала планировалась как универсальная, - один из ее создателей Мари Кондорсе даже придумал для этого формулу á tous les temps, pour tous les peuples ("для всех народов на все времена"), - то есть определения единиц измерения не должны были зависеть от эталонов, хранящихся в какой-то одной стране. Чтобы исполнить задуманное, все определения решено было построить на одной-единственной единице, взятой из природы.

Ею стал метр (килограмм определялся как масса одного литра - кубического дециметра - воды), который, по настоянию Лапласа, определили как десятимиллионную часть четверти меридиана (тогда форма планеты считалась идеально сферической).

В 1799 году были изготовлены первые эталоны метра и килограмма из платины для практического использования, а метрическая система во Франции была провозглашена обязательной к применению.

Надо сказать, что поначалу ученые были ужасно довольны введенной системой, однако в 1837 году астроном и математик Фридрих Бессель обнаружил, что длина четверти меридиана (если сравнивать ее с "архивным метром" - такое прозвище получил эталон метра 1799 года) составляет 10 000 856 метров. Из этого немедленно вытекало, что архивный метр короче метра из определения 1795 года почти на 0,1 архивного миллиметра. Для точных измерений это была настоящая катастрофа. Дальнейшие измерения давали каждый раз новые результаты (теперь мы знаем, что все дело в неправильной форме Земли).

Что касается килограмма: пыль постепенно скапливается на эталоне, несмотря на все контрмеры. Достать платиноиридиевый цилиндр и протереть нельзя - во-первых, при извлечении на нем опять же осядет пыль, а во-вторых, протирка или даже обмахивание щеточкой неминуемо приведет к "отскакиванию" нескольких молекул. Иными словами, независимо от того, что делают или не делают с эталоном, его масса со временем изменяется. Долгое время считалось, что эти изменения незначительны, однако проведенная несколько лет назад проверка показала, что за последнее время эталон "похудел" на 50 микрограммов, а это уже внушительные потери.

В 1948 году Международный Союз чистой и прикладной физики приступил к разработке универсальной системы, которая включала бы в себя все единицы измерения. Так, в 1960 году на первой Генеральной конференции по мерам и весам была создана система СИ (вопреки расхожему мнению, SI означает не "Система интернациональная", а происходит от Le Système International d'Unités, то есть "Интернациональная система весов", поэтому употребление словосочетания "система СИ" является допустимым).

Физики перешли к более абстрактным, с точки зрения обывателя, определениям единиц измерения. Так, с самого начала существования системы метр перестал соотноситься с неким физическим эталоном. Согласно определению 1960 года, метр представляет собой расстояние, равное 1 650 763,73 длинам волн излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона 86Kr в вакууме. В отличие от эталонного это определение хорошо тем, что позволяет всякой физической лаборатории при достаточном оснащении самостоятельно калибровать свою технику в независимости от где-то хранящегося платиново-иридиевого бруска. Фактически это определение - возвращение к заявленному основателями метрической системы идеалу: для определения величины берется природный объект.

Через 23 года это определение также перестало удовлетворять физиков - из-за квантовых эффектов оно на тот момент уже было слишком грубым, поэтому на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам метр был определен как расстояние, проходимое светом за одну 299 792 458-ю долю секунды в вакууме. Следствием нового определения стало то, что метр оказался привязан к фундаментальной константе c и секунде. Как следствие, скорость света стала постоянной и отныне в точности равна 299 792 458 метрам в секунду.

Аналогичным (связанным с константами и другими величинами) образом были переопределены секунда и кандела. Так, с 1967 года секунда - это промежуток времени равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0 и F = 3, M = 0 основного состояния атома цезия-133. В 1997 году в определение были внесены поправки, согласно которым атом следует рассматривать в состоянии покоя при абсолютном нуле в отсутствие внешних полей.

Наконец, кандела - сила света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540·10¹² герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Ватт на стерадиан (ватт выражается через остальные единцы СИ, а стерадиан - единица измерения телесного угла - считается внесистемной, однако легко воспроизводимой в лаборатории с участием того же метра).

В конце октября 2011 года Генеральная конференция по мерам и весам приняла предложение, согласно которому планируется переопределить остальные четыре величины - ампер, килограмм, моль и кельвин. Определять их планируется через фундаментальные константы и другие единицы.

Проще всего, пожалуй, будет разобраться с молем. Согласно современному определению, один моль - это такое количество вещества, которое содержит ровно NA (постоянная Авогадро) структурных частиц. В свою очередь, эта постоянная равна количеству атомов в 12 граммах углерода-12. Вместо этого предлагается зафиксировать значение постоянной Авогадро равной 6,02214N·10²³, где N означает, что по поводу этих знаков после запятой все еще ведется спор, а определение оставить тем же.

Что касается ампера, то в настоящий момент его определение звучит так: один ампер - это сила постоянного тока, текущего в каждом из двух параллельных бесконечно длинных бесконечно малого кругового сечения проводников в вакууме на расстоянии 1 метр, и создающая силу взаимодействия между ними 2·10 ^-7 ньютонов на каждый метр длины проводника.

Так как в природе бесконечные проводники в вакууме встречаются нечасто, то воспроизведение такого определения в лаборатории представляется делом довольно затруднительным. Именно поэтому ученые предлагают определить ампер по-другому. Ампером предлагается назвать такую силу тока, при которой через сечение проводника за одну секунду проходит такой заряд (равный, по определению, кстати, одному кулону), что элементарный электрический заряд составляет от него ровно 1,60217653·10^-19 часть. Как ни странно, но новое определение ампера вызывает больше всего нареканий. Дело в том, что оно не зависит в таком виде от метра и килограмма, однако при этом квантовые эффекты, которые раньше входили "в состав" определения, теперь будут давать погрешность измерений.

Аналогичным образом определяются кельвин и килограмм, второй выражается через секунду, метр и постоянную Планка, а первый - через метр, секунду, килограмм и постоянную Больцмана. При этом численные значения постоянных полагаются равными 1,3806505·10^-23 и 6,6260693·10^-34 соответственно.

Надо сказать, что у нового предложения много критиков. Некоторые, например, возмущены излишней абстрактностью, кто-то говорит, что столь фундаментальные изменения нужно "обсуждать всем миром", а третьи опасаются, что человечество может и не заметить, если какие-то фундаментальные константы вдруг не окажутся константами. В свою очередь, для определения килограмма существует несколько альтернативных предложений, связанных, например, с созданием более совершенного эталона или применением на практике целочисленного квантового эффекта Холла.

Так или иначе, нам остается только дождаться 2014 года, чтобы узнать, получится ли у физиков вернуть метрическую систему к идеям Лапласа и Лежандра.

Lenta.ru