2018. može se nazvati sudbonosnom godinom u mjeriteljstvu, jer je ovo vrijeme prave tehnološke revolucije u međunarodnom sustavu jedinica fizičkih veličina SI. Riječ je o reviziji definicija glavnih fizikalnih veličina. Hoće li kilogram krumpira u samoposluzi sada težiti na novi način? C krumpir će biti isti. Nešto drugo će se promijeniti.
Prije SI sustava
U davnim vremenima bili su potrebni zajednički standardi u težini i mjerama. Ali opća pravila za mjerenja postala su posebno potrebna s dolaskom znanstvenog i tehnološkog napretka. Znanstvenici su trebali govoriti zajedničkim jezikom: koliko centimetara je jedna noga? A što je centimetar u Francuskoj kad nije isto što i talijanski?
Francusku možemo nazvati počasnim veteranom i pobjednikom povijesnih metroloških bitaka. Upravo je u Francuskoj 1791. službeno odobren mjerni sustav i njihovjedinice, a definicije glavnih fizičkih veličina opisane su i potvrđene kao državni dokumenti.
Francuzi su prvi shvatili da fizičke veličine treba vezati uz prirodne objekte. Na primjer, jedan metar je opisan kao 1/40 000 000 dužine meridijana od sjevera prema jugu prema ekvatoru. Bio je vezan, dakle, za veličinu Zemlje.
Jedan gram također je vezan za prirodne fenomene: definiran je kao masa vode u kubičnom centimetru na temperaturi blizu nule (otopljenje leda).
Ali, kako se pokazalo, Zemlja uopće nije savršena lopta, a voda u kocki može imati različita svojstva ako sadrži nečistoće. Stoga su se veličine tih količina u različitim dijelovima planeta malo razlikovale jedna od druge.
Početkom 19. stoljeća u posao su ušli Nijemci, predvođeni matematičarem Karlom Gaussom. Predložio je ažuriranje sustava mjera centimetar-gram-sekunda, a od tada su metričke jedinice otišle u svijet, znanost i priznate od strane međunarodne zajednice, formiran je međunarodni sustav jedinica fizičkih veličina.
Odlučeno je zamijeniti duljinu meridijana i masu kocke vode standardima koji su pohranjeni u Birou za utege i mjere u Parizu, uz distribuciju kopija zemljama koje sudjeluju u metrici konvencija.
Kilogram je, na primjer, izgledao kao cilindar napravljen od legure platine i iridija, što na kraju također nije postalo idealno rješenje.
Međunarodni sustav jedinica fizičkih veličina SI formiran je 1960. godine. Isprva je uključivalo šestosnovne veličine: metri i duljina, kilogrami i masa, vrijeme u sekundama, jačina struje u amperima, termodinamička temperatura u kelvinima i jakost svjetlosti u kandelama. Deset godina kasnije dodana im je još jedna - količina tvari, mjerena u molovima.
Važno je znati da se sve ostale mjerne jedinice fizičkih veličina međunarodnog sustava smatraju izvedenicama od osnovnih, odnosno mogu se matematički izračunati pomoću osnovnih veličina SI sustava.
Daleko od standarda
Fizički etaloni nisu bili najpouzdaniji mjerni sustav. Sam standard kilograma i njegove kopije po zemljama povremeno se međusobno uspoređuju. Usklađivanja pokazuju promjene u masama ovih standarda, što se događa iz raznih razloga: prašina tijekom provjere, interakcija s postoljem ili nešto drugo. Znanstvenici su već dugo primijetili ove neugodne nijanse. Došlo je vrijeme za reviziju parametara jedinica fizičkih veličina međunarodnog sustava u mjeriteljstvu.
Stoga su se neke definicije količina postupno mijenjale: znanstvenici su pokušavali pobjeći od fizičkih standarda, koji su na ovaj ili onaj način mijenjali svoje parametre tijekom vremena. Najbolji način je izvesti količine u smislu nepromjenjivih svojstava, kao što su brzina svjetlosti ili promjene u strukturi atoma.
Uoči revolucije u SI sustavu
Glavne tehnološke promjene u međunarodnom sustavu jedinica fizičkih veličina provode se glasovanjem članova Međunarodnog ureda za utege i mjere na godišnjoj konferenciji. Ako se odobre, promjene će stupiti na snagu nakon nekolikomjeseci.
Sve je to iznimno važno za znanstvenike čija istraživanja i eksperimenti zahtijevaju najveću preciznost u mjerenjima i formulacijama.
Novi referentni standardi za 2018. pomoći će u postizanju najviše razine točnosti u bilo kojem mjerenju na bilo kojem mjestu, vremenu i mjerilu. I sve to bez gubitka u točnosti.
Redefiniranje količina u SI sustavu
Odnosi se na četiri od sedam operativnih osnovnih fizičkih veličina. Odlučeno je redefinirati sljedeće količine s jedinicama:
- kilogram (masa) koristeći jedinice Planckove konstante u izrazu;
- amper (struja) s mjerenjem naboja;
- kelvin (termodinamička temperatura) s jediničnim izrazom pomoću Boltzmannove konstante;
- mol kroz Avogadrovu konstantu (količina tvari).
Za preostale tri količine, tekst definicija će se promijeniti, ali će njihova suština ostati nepromijenjena:
- metar (duljina);
- sekunda (vrijeme);
- candela (intenzitet svjetla).
Promjene s pojačalom
Koliko je danas amper kao jedinica fizikalnih veličina u međunarodnom SI sustavu, predloženo je još 1946. godine. Definicija je bila vezana za jačinu struje između dva vodiča u vakuumu na udaljenosti od jednog metra, navodeći sve nijanse ove strukture. Netočnost i glomazno mjerenje dvije su glavne karakteristike ove definicije s današnje točke gledišta.
U novoj definiciji, amper je električna struja jednakaprotok fiksnog broja električnih naboja u sekundi. Jedinica je izražena u nabojima elektrona.
Za određivanje ažuriranog ampera potreban je samo jedan alat - takozvana pumpa s jednim elektronom, koja može pomicati elektrone.
Novi mol i čistoća silicija 99,9998%
Stara definicija mola povezana je s količinom materije jednakom broju atoma u ugljikovom izotopu s masom od 0,012 kg.
U novoj verziji to je količina tvari koja je sadržana u točno određenom broju specificiranih strukturnih jedinica. Ove jedinice su izražene pomoću Avogadrova konstante.
Mnoge su brige i s Avogadrovim brojem. Da bi se to izračunalo, odlučeno je stvoriti kuglu od silicija-28. Ovaj izotop silicija odlikuje se preciznom kristalnom rešetkom do savršenstva. Stoga se broj atoma u njemu može točno izbrojati pomoću laserskog sustava koji mjeri promjer kugle.
Moglo bi se, naravno, tvrditi da ne postoji temeljna razlika između kugle silicija-28 i trenutne legure platine i iridija. I ta i druga tvar s vremenom gubi atome. Gubi, zar ne. Ali silicij-28 ih gubi predvidljivom brzinom, tako da će se referenca stalno prilagođavati.
Najčišći silicij-28 za kuglu nedavno je dobiven u SAD-u. Njegova čistoća je 99,9998%.
A sada Kelvin
Kelvin je jedna od jedinica fizikalnih veličina u međunarodnom sustavu i koristi se za mjerenje razine termodinamičke temperature. "Na stari način" jednako je 1/273, 16dijelovi temperature trostruke točke vode. Trostruka točka vode iznimno je zanimljiva komponenta. Ovo je razina temperature i tlaka na kojoj je voda u tri stanja odjednom - "para, led i voda."
Definicija "šepanja na obje noge" iz sljedećeg razloga: vrijednost kelvina prvenstveno ovisi o sastavu vode s teoretski poznatim omjerom izotopa. Ali u praksi je bilo nemoguće dobiti vodu s takvim karakteristikama.
Novi kelvin će biti definiran na sljedeći način: jedan kelvin jednak je promjeni toplinske energije za 1,4 × 10−23j. Jedinice su izražene pomoću Boltzmannove konstante. Sada se razina temperature može mjeriti fiksiranjem brzine zvuka u plinskoj sferi.
Kilogram bez standarda
Već znamo da u Parizu postoji standard od platine s iridijem, koji je nekako promijenio svoju težinu tijekom korištenja u mjeriteljstvu i sustavu jedinica fizičkih veličina.
Nova definicija kilograma je: Jedan kilogram je izražen kao Planckova konstanta podijeljena s 6,63 × 10−34 m2 · s−1.
Mjerenje mase sada se može vršiti na skali "watt". Neka vas naziv ne zavara, ovo nisu uobičajene vage, već električna energija koja je dovoljna da podignete predmet koji leži s druge strane vage.
Promjene u principima konstruiranja jedinica fizikalnih veličina i njihovog sustava u cjelini potrebne su, prije svega, u teorijskim područjima znanosti. Glavni čimbenici u ažuriranom sustavusada su prirodne konstante.
Ovo je logičan zaključak višegodišnjeg djelovanja međunarodne skupine ozbiljnih znanstvenika čiji su napori dugo vremena bili usmjereni na pronalaženje idealnih mjerenja i definicija jedinica na temelju zakona fundamentalne fizike..
