Мы настолько привыкли к системе СИ – так называют международную систему единиц физических величин – что редко вспоминаем, откуда взялись те величины, которые в неё входят, и как появилась она сама. Всё началось с метрической системы, которая постепенно вытесняла «естественные» единицы измерения, вроде пудов, дюймов, кружек с чарками и т. д. К XIX веку, ввиду стремительного развития науки и торговли стало ясно, что для облегчения расчётов и измерений нужна система взаимосвязанных единиц, которые не зависели от национальных традиций и непостоянных природных факторов. В такой системе на основании нескольких фундаментальных единиц (длины, массы и времени) выводились бы все остальные.
В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины. Исходной мерой длины стал эталон – архивный метр (называющийся так потому, что хранится во Французском архиве). Точно так же эталоном массы стал архивный платиново-иридиевый килограмм. 20 мая 1875 г. в Париже на специально созванной дипломатической конференции состоялось подписание Метрической конвенции – первого межправительственного соглашения в области метрологии. Учрежден руководящий орган – Международный комитет мер и весов – в составе ученых разных стран.
Систему СИ начали разрабатывать после Второй мировой войны, и в 1960 году её приняли на одиннадцатой Генеральной конференции по мерам и весам. Цель была та же – вывести все единицы измерения из нескольких основных величин, которых в СИ всего семь: метр, килограмм, секунда, Ампер, градус Кельвина, свеча (кандела) и моль. Более того, эти основные величины определены через физические константы, например секунда – времени, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133Cs. Секунда в системе СИ стала атомной. А определение метра оказалось таким: «Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды». То есть метр вывели из секунды, а значит, он тоже стал привязан к фундаментальной физической константе.
Вместе с тем в СИ до сих пор сохраняются основные единицы с «плохими» определениями. Например, килограмм так и остался единицей, основанной на рукотворном артефакте. Эталонный килограмм, хотя и хранится со всеми предосторожностями, всё же подвержен неконтролируемым изменениям. В частности, за сто лет масса международного платиноиридиевого прототипа килограмма увеличивается (https://www.nkj.ru/news/21567/) по отношению к национальным эталонам-копиям на 50 микрограмм. Поэтому на очередной Генеральной конференции по мерам и весам, которая проходит с 12 по 16 ноября в Версальском дворце, будет решено перевести на фундаментальные физические константы ещё четыре основные единицы СИ – массы (килограмм), силы электрического тока (Ампер), термодинамической температуры (Кельвин) и количества вещества (моль).
В случае килограмма на замену известному артефакту в виде платиноиридиевого придет атомный килограмм, определяемый через фиксированное значение постоянной Планка (h=6 626070 040). Новым артефактом килограмма станет идеальная сфера из моноизотопного (очищенного) кремния с известным количеством атомов. Другие единицы – Кельвин, Ампер и моль – также будут привязаны к фиксированным квантовым определениям через постоянную Больцмана, квантовые эффекты Холла и Джозефсона, постоянную Авогадро. Таким образом завершится полный переход системы СИ на неизменные природные константы, что обеспечит еще более точное определение базовых единиц метрической системы и глобальную научно-техническую гармонизацию.
От России в Генеральной конференции по мерам и весам будут участвовать исследователи-метрологи из Всероссийского НИИ метрологии (ВНИИМ) им. Д. И. Менделеева и других метрологических институтов Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Стоит отметить, что российские национальные эталоны килограмма, Ампера и Кельвина хранятся именно во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, сотрудники которого сохраняют высочайший уровень в теоретических и практических исследованиях, касающихся переопределения и совершенствования физических измерительных эталонов.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение