Международното бюро за мерки и теглилки планира да проведе най-значимата реформа на международната система единици (SI) след последната голяма промяна на стандарта през 1960 г., пише Nature. Ще трябва да се приемат нови държавни стандарти и да се направят корекции в учебниците по физика в училищата и университетите.

В момента SI - съвременната версия на метричната система - е приета като основна система от единици от повечето страни в света и се използва почти навсякъде в областта на науката и техниката. Пълното определение на всички  единици от системата SI е дадено в официалната брошура (8-мо издание) и допълнението към нея от 2014. 

Ръководството на международната организация ще гласува за предложените изменения на Генералната конференция по мерки и теглилки през 2018 г., а в случай на положително решение измененията ще влязат в сила от май 2019. Новите определения и стандарти за мерни единици няма да се отразят на живота на обикновените хора: един килограм картофи в магазина ще си останат същият килограм картофи. Везните и кантарите ще измерват зеленчуците и месото със същата точност, както преди. Но тези дефиниции са важни за учените, тъй като в научните изследвания трябва да се поддържа перфектна точност на формулировките и измерванията. Международното бюро за мерки и теглилки счита, че новите стандарти "ще осигурят най-високо ниво на точност при различни начини на измерване, на всяко място и време, както и във всеки мащаб, без загуба на точност".

И така, какви промени ни очакват?

Сега от Международното бюро за мерки и теглилки възнамерява да преразгледа определенията и стандартите на следните единици:

  • ампер
  • килограм
  • келвин
  • мол

Трябва да се отбележи, че представяме новите определения в съкратена форма и не отговарят точно на текста в официалния документ, който заедо с крайните стойности на константите ще бъде публикуван в близко бъдеще.

Килограм

Съвременната дефиниция, приета на III-та Генерална конференция по мерки и теглилки (Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM) през 1901 г. и е формулирана по следния начин: "килограмът е единица за маса, равна на масата на международния прототип на килограма". Този Международен прототип (еталон) на килограм се съхраняваот Международното бюро по мерки и теглилки (намира се в Севър, близо до Париж) и  представлява цилиндър с диаметър и височина от 39.17 mm от платинено-иридиева сплав (90% платина, 10% иридий). Размерът на еталона е около размера на топка за голф.

Проблемът с еталона за килограм е, че всеки материал може да губи атоми или обратно, да получава атоми от околната среда. По-специално различните официални копия на стандартния килограм, който се съхранява в Севър, се различават по тегло от официалния еталон. Разликата достига 60 микрограма. Тези промени са настъпили за повече от 100 години от създаването на копията.

 

 

Има още един проблем с единиците на измерване с фиксиран мащаб - това е, че елементът на несигурност (грешката) се увеличава с отдалечаването от мащаба на фиксирания еталон. Например, сега при измерване на милиграм елементът на несигурност е 2500 пъти по-голям от измерването на килограм.

Този проблем се решава, ако се определи единицата мярка за маса от други физически константи. Новото определение на килограм използва константата на Планк.

Новото определение: 1 килограм е равен на константата на Планк, разделена на 6,626070040 х 10-34  м-25 . За да се изрази единицата е нужна константата на Планк.

Измерването на масата в възможно на практика с помощта на ватови везни, които позволяват превръщането на механичната сила в електрическа и обратно.

Чрез два отделни експеримента със сравняване на механична и електромагнитна сила, а след това чрез преместване на бобината през магнитно поле за създаване на потенциална разлика (показано по-долу). Грубо казано, масата се изчислява чрез електрическата енергия, която е необходима, за да се вдигне предмет от другата страна на везните.

 

 

Келвин

Настоящо определение: Келвинът се определя, според Уикипедия, чрез два факта: нула келвина е абсолютната нула (при която движението на молекулите достига своя минимум), и един келвин е 1/273,16 част от т. нар. термодинамична температура на тройната точка* на водата.

В задължителното техническото приложение към текста на Международната температурна скала Консултативният комитет по термометрия се поставят изисквания към изотопния състав на водата при изпълнението на температурата на тройната точка на водата.

*Тройната точка на водата са строго определени стойности температури и налягания, при които водата може да съществува едновременно и в равновесие под формата на трите фази - твърдо, течно и газообразно състояния.

Международният комитет за мерки и теглилки потвърждава, че определението на келвин се отнася за вода, чийто изотопен състав е определен от следните съотношения:

  • 0.00015576 мола 2H на един мол 1Н
  • 0,0003799 мола 17О на един мол 16О
  • 0,0020052 мола 18О на един мол 16О.

Проблемите на  съвременното определение са очевидни. Стойността на келвина зависи от изотопния състав на водата, но на практика е практически невъзможно да се постигне молекулярен състав на водата, който да съответства на техническите изисквания към текста на Международната температурна скала.

Още през 2011 г. по време на сесията на Генералната конференция по мерки и теглилки е предложено в бъдеща редакция на Международната система на единиците да се предефинира келвина като се свърже със стойността на константата на Болцман. Така стойността на келвин за първи път ще бъде точно фиксирана.

Новото определение: 1 келвин съответства на промяната на топлинната енергия на 1,38064852 х 10-23 джаула. За да се изрази единицата е нужна константата на Болцман.

Точната температура може да бъде измерена чрез измерване на скоростта на звука в сфера, напълнена с газ. Скоростта на звука е пропорционална на скоростта на движението на атомите.

Мол

Настоящо определение: Молът е количеството вещество в система, съдържаща толкова структурни елементи, колкото  атоми въглерод-12 има в маса 0,012 кг. При прилагането на мола структурните елементи трябва да бъдат специфицирани и могат да бъдат атоми, молекули, йони, електрони и други частици или определени групи частици.

Новото определение: Количеството вещество в система, която съдържа 6,022140857 х 1023 специфични структурни единици. За да се изрази единицата е нужно числото на Авогадро.

За еталон на числото на Авогадро - и чрез него на мола - учени предлагат да се създаде идеална сфера от чист силиций-28. Това вещество има идеално точна кристална решетка, така че броят на атомите в сферата може да се определи точно, ако се измери диаметъра на сферата (с лазерна система). За разлика от съществуващото парче платинено-иридева сплав скоростта на загуба на атомите силиции-28 е точно предсказуема, което позволява да се направят корекции в еталона.

Сфера от силиций-28 с чистота от 99,9998. Снимка: CSIRO Presicion оптика

През 2014 г. американски физици успяват да обогатят силиций-28 до безпрецедентно качество на 99,9998% по международен проект за изчисляване на числото на Авогадро.

Ампер

Съвременната дефиниция, предложена от Международния комитет за мерки и теглилки през 1946 г. и приет на IX-та Генерална конференция по мерки и теглилки (CGPM) през 1948 г. гласи: "Един ампер е такъв постоянен ток, който при преминаването си през два прави линейни успоредни проводника с безкрайна дължина и пренебрежимо малко кръгло напречно сечение, разположени на отстояние 1 метър един от друг във вакуум, създава между тези проводници сила, равна на 2·10-7 нютона на метър дължина".

В съвременното определение амперът се определя чрез мисловен експеримент, който предвижда възникването на сили в два проводника с безкрайна дължина. Очевидно е, че на практика не можем да измерим този ефект, тъй като по дефиниция не може да има два проводника с безкрайна дължина.

През октомври 2011 г. на Генералната конференция по мерки и теглилки се предложи да се измени и определението за ампер, както и определението за келвин. Идеята е, че новото определение следва да бъде не на базата на изкуствени артефакти чрез мисловен експеримент, а на фундаментални физични константи и свойства на атомите. Така че новото определение се изразява чрез само една константа - заряда на електрона.

Новото определение: Електрическият ток, съответстващ на потока от 1/1,6021766208 × 10-19 елементарни електрически заряди в секунда. За да се изрази единицата е нужен заряда на електрона.

На практика, за да се определи ампера ще трябва само един инструмент - едноелектронна помпа. Такива инструменти са създадени преди няколко години. Те позволяват да се придвижват определен брой електрони за всеки цикъл на изпомпване, което е изключително ценно качество за фундаменталната наука и метрологията.

Определенията за секунда, метър и канделата остават същите, както се вижда на илюстрацията долу.

В новата система СИ определенията на всички единици се изразяват чрез константа с фиксирана стойност. Много от единиците са дефинирани по отношение на други единици. Например, определението на килограм се определя чрез константата на Планк, а също и чрез определението за метър и секунда.

Смята се, че една такава система е много по-стабилна и самодостатъчна.