9 Перспективи подальшого вдосконалення системи забезпечення єдності вимірювань

9.1 Перспективи вдосконалення системи одиниць si

Одним із наріжних каменів існування і розвитку системи забезпечення єдності вимірювань у міжнародному масштабі є наявність загально визначеної системи одиниць та її вдосконалення. Хоча система SI існує багато років і доказала свою життєвість, вона постійно змінюється і уточнюється. За останні 50 років змінилися визначення ряду основних одиниць (секунди, двічі – метра і кандели), періодично уточнюються міжнародна температурна шкала, спростовані додаткові одиниці (радіан та стерадіан) тощо. Основною тенденцією цих змін є наближення визначень одиниць до природних інваріантів^ і посилення зв’язку з фундаментальними сталими.

І от на черзі нова суттєва зміна: на 94-му засіданні в жовтні 2005 р. Міжнародний комітет з мір та ваг прийняв рекомендацію щодо підготовчих заходів з перевизначення кілограма, ампера, кельвіна і моля таким чином, щоб ці одиниці були прив’язані до точно відомих значень фундаментальних сталих. Основними передумовами такого перевизначення є наступні фактори.

При розробці визначення основної одиниці, як вже було сказано, дуже важливо пов’язати її з природним інваріантом. Серед інших властивостей основних одиниць повинна бути можливість практичної реалізації їх визначення “в будь-якому місці, в будь-який час і з тією точністю, яку потребує суспільство”.

Сьогодні стан з системою SI такий, що із семи основних одиниць тільки секунда і метр напряму пов’язані з істинними інваріантами, оскільки секунда визначається через період, що відповідає частоті надтонкого переходу цезію-133, а метр – через швидкість світла у вакуумі (з використанням секунди). Кельвін визначається на основі точно заданого термодинамічного стану води, яке хоч і є природним інваріантом, але має термодинамічну температуру значною мірою залежну від вмісту домішок та ізотопного складу даного об’єму води. Це ускладнює ситуацію і обмежує точність, з якою це визначення може бути реалізовано.

Визначення інших основних одиниць має ще більш серйозні недоліки. Кілограм досі визначається за допомогою “артефакту”^ − того самого прототипу, прийнятого 1-ю Генеральною конференцією з мір та ваг у 1889 р. Його маса, як відомо, дрейфує по відношенню до істинного інваріанту – платино-іридієвої гирі, однак цей дрейф фактично неможливо оцінити, оскільки всі зразки цієї гирі були відлиті з одного сплаву в одній плавці і на одному підприємстві, тобто дрейфують “в одному напрямку”. Недоліки визначення ампера, моля і кандели, в основному, полягають в їх залежності від визначення кілограма, хоча мають місце й інші проблеми.

Таким чином, визначення кілограма через істинний природний артефакт – масу атома або фундаментальну фізичну сталу - широко обговорюється вченими-метрологами щонайменше 30 останніх років, що відображено у ряді резолюцій ГКМВ, матеріалах МКМВ та його Консультативних комітетів. Не дивлячись на різні думки з цього питання, більшість з них зводиться до необхідності пере визначення кілограма і прийняття в якості еталонної величини або сталої Планка, або числа Авогадро.

Другою передумовою пере визначення кілограма стали практичні успіхи ряду національних метрологічних інститутів (НМІ) в реалізації кілограма різними методами з простежуваністю до фундаментальних сталих. Хоча ці методи ще не дають необхідної точності, але існує перспектива їх досягнення.

Ще одною передумовою пере визначення одиниць через ФФС стали успіхи НМІ у підвищенні точності визначення ряду ФФС, що є обов’язковою умовою перевизначекння одиниць через ці ФФС, а також досягнення в практичній реалізації ряду методів відтворення одиниць, що базуються на квантових ефектах і ФФС (квантові ефекти Джозефсона, Хола, ядерного магнітного резонанса та деякі інші).

Сукупність цих факторів привела до того, що XXIII ГКМВ прийняла Резолюцію 12 “Про можливе пере визначення певних основних одиниць Міжнародної системи SI” (УМЖ, 2008 №2, с. 48-52), рішення про яке повинна прийняти XXIV ГКМВ у 2011 р. Розглянемо суть цієї рекомендації.

Ще з 80-х р. минулого століття, в період підготовки до введення нового визначення метра, значно зріс інтерес до використання фундаментальних фізичних сталих в метрології, зокрема, для побудови систем одиниць. Подальші роки характеризуються активним розвитком робіт у цьому напрямку в багатьох країнах.

У 2005 р. Президент Консультативного комітету з одиниць професор Міллю з колегами запропонував перевизначити одиницю маси шляхом фіксації або сталої Планка, або сталої Авогадро. У подальшому в публікації МБМВ [4] і статті Міллса [5] було запропоновано деякі варіанти нових визначень чотирьох одиниць: кілограма, ампера, кельвіна і моля (табл. 9.1). Ці визначення потребують фіксації чотирьох ФФС: сталої Планка , елементарного електричного заряду, сталої Больцмана, сталої Авогадро(у доповнення до зафіксованого раніше значення швидкості світла). При цьому автори виходять з чотирьох умов, які повністю збігаються з рекомендаціями МКМВ – 2005 р.:

1) загальна структура SI, тобто основної величини SI та їх одиниці, мають залишитися незмінними, оскільки вони відповідають необхідним вимогам;

2) необов’язково щоб нове визначення одиниці дозволяло зменшити похибку (невизначеність) при її відтворенні. Автори вважають, що для метрології і науки в цілому переваги від заміни сучасних визначень визначеннями через сталі значно перебільшують незначне збільшення невизначеності, яке може виникнути при реалізації цих одиниць.

3) одиниці, які слід перевизначити, і сталі, з якими вони мають бути пов’язані, треба вибирати таким чином, щоб з’явилися переваги як для метрології, так і для науки в цілому;

4) нове визначення одиниці не повинно призводити до розриву в її значеннях. Це означає, що обрані значення сталої Планка , елементарного електричного заряду, сталої Больцманаі сталої Авогадромають бути настільки близькі до їх значень вSI, наскільки це дозволяють сучасні знання.

Таблиця 9.1

Визначення кілограма, ампера, кельвіна, моля

	Кілограм	Ампер	Кельвін	Моль
Явне визначення	(кг-1a) Кілограм є масою тіла, еквіва­лентна енергія якого дорівнює енергії та­кого числа фотонів, сума частот яких дорівнює точно Гц (кг-1b) Кілограм є масою тіла, для якого частота де Бройля-Комптона точно дорівнює Гц	(А-1) Ампер є сила електричного струму, у напрямку потоку, який міс­тить елементарних заря­дів у секунду.	(К-1) Кельвін є таке змінення термоди­намічної темпера­тури, яке призво­дить до змінення теплової енергії точно на Дж.	(моль-1) Моль є кі­лькість речовини системи, яка містить точно еле­ментарних об’єктів, якими можуть бути атоми, молекули, іони, електрони, інші частинки або точно визначені групи частинок
Визначення через сталі	(кг-2) Кілограм є одиницею масою такою, що стала Планка дорівнює точно Джс	А-1) Ампер є оди­ниця сили електрич­ного струму така, що елементарний заряд дорівнює точно Кл	(К-1) Кельвін є оди­ниця термодинаміч­ної температури така, що стала Бо­льцмана дорівнює точно Дж/К	(моль-2) Моль є одиниця кількості речовини, що скла­дається із визначе­них структурних елеменів (атомів, молекул, іонів, еле­ктронів, інших час­тинок або груп час­тинок) така, що стала Авогадро до­рівнює точно на моль

Як ми бачимо з табл. 1, для кожної з одиниць даються 2 варіанти визначень, які автори називають: перше – явним, друге – через сталі (для кілограма даються два варіанти явного визначення). Заключний вибір формулювання має бути зроблений МКМВ.

Розглянемо їх коротко.