Трунов Г.М. Этапы развития фундаментальной метрологии
реклама
П. В ПО 11.01 на шаблон 11.01 верстка 12.01 сверка 17.03/17.03 правка сверки 00.12/00.12 теория. исследования. практика 36 Мир измерений 4/2010 Этапы развития фундаментальной метрологии Г.М. Трунов, кандидат технических наук, член-корреспондент Метрологической академии РФ Пермский государственный технический университет, г. Пермь Высокие темпы развития науки в ХХ веке, особенно в его второй половине, привели к изменению научных представлений о закономерностях окружающего мира. При этом классические определения физических величин и их единиц вступили в противоречия с современными научными взглядами. Назрела потребность изменения и совершенствования самой Международной системы единиц (СИ). Международный комитет по мерам и весам (МКМВ) на своей 94-й конференции в октябре 2005 г. принял Рекомендацию 1 (С1-2005) “Подготовительные ша­ ги к новым определениям килограмма, ампера, кель­вина и моля через фундаментальные константы”. В соответствии с этой Рекомендацией в журнале Metrоlоgia [1, 2] были предложены к обсуждению переопределения ос­новных единиц СИ с использованием фиксированных значений фун­да­ме­ нтальных физических констант: постоянной Планка h, элементарного заряда e, постоянной Больцмана k и постоянной Авогадро NA. При этом предполагается, что фиксированные значения указанных констант будут иметь уровень точности, достигнутый к моменту проведения 24-й Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 2011 г. Если для ампера, кельвина и моля “консенсус практически уже достигнут, то в отношении килограмма конкурируют два определения. Коротко – это “электрический килограмм” и “атомный килограмм”. Электрический килограмм подразумевает определение и воспроизведение через постоянную Планка, а атомный – через число Авогадро. В этом споре мир разделился примерно на две равные части: Европа вместе с Япо­нией придерживается концепции атом­ного килограмма, англоязычный мир во главе с Америкой – электрического килограмма” [3]. Приведём конкурирующие фор­ му­лировки переопределения кило­ грамма [1, 2]: – “килограмм есть масса тела, эквивалентная энергия которого равна энергии такого числа фотонов, сумма частот которых равна точно [(299792458)2 / 66260693] ¥ ¥ 1041 Гц”; – “килограмм есть масса тела, для которого частота де Бройль – 37 Мир измерений 4/2010 Комптона точно равна [299792458 / / (6,626 0693 ¥ 10–34] Гц”; – “килограмм – масса точно (6,022141527 ¥ 1023) / 0,012 свободных атомов углерода-12 в покое и в основном состоянии”. Для того чтобы сделать правильный выбор, необходимо рассмотреть, какие тенденции реализуются в современной фундаментальной метрологии, уделить внимание основным положениям метрологии, которые связаны с определением и воспроизведением физических единиц, уточнить принципы, которые используются при создании систем единиц и разработке эталонов. Напомним, что эталоном называется средство измерений (комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и передачи её размера другим, менее точным, средствам измерений. Эталонными устройствами могут быть интерференционная установка для измерения длин, токовые весы для измерения силы электрического тока, эталонные гири, эталонные резисторы и т.д. Эталон является высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц. Эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, достигнутой в данной области измерений, называется первичным. Необходимо подчеркнуть различие между терминами “определение единицы” и “воспроизведение единицы”. В работе [4] приведены следующие основополагающие семантические признаки: оп­ ределение есть точное установление единицы, т.е. с нулевой неоп­ ределённостью. Напротив, воспроизведение единицы, которое всегда связано с экспериментом, будет связано с неопределённостью больше нуля. Для воспроизведения единицы высший приоритет имеет только минимальная неопределён- ность. Поэтому только эксперимент с минимальной неопределённостью выполняется при воспроизведении единицы, и эта экспериментальная ситуация не обязательно должна быть такой, которая описана в определении единицы. Рассмотрим в историческом плане определения и эталоны некоторых единиц СИ, которые к настоящему времени претерпели изменения или будут переопределены в недалёком будущем. Кроме того, было установлено, что и форма и размеры самой Земли Определение незначительно меняются со времеи воспроизведение нем. В связи с этим в 1872 г. по иниединицы на основе циативе Петербургской академии наук была создана международная артефакта* Единица массы в СИ определя- комиссия, которая решила не созется следующим образом: “кило- давать уточнённых эталонов метра, грамм – масса, равная массе меж- а принять в качестве единицы длидународного прототипа килограм- ны “метр архива Франции”. В 1889 г. из платиноиридиевого ма” (решение I ГКМВ в 1889 г.). В настоящее время междуна- сплава изготовили 31 стрежень родный прототип килограмма (ци- длиной по 102 см каждый с линдр, выполненный из сплава Х-образными профилями поперечплатины и иридия с массовыми до- ных сечений. На обоих концах лями 90% Pt и 10% Ir, высотой и каждого такого стержня-линейки диаметром 39 мм) служит науке и на некотором расстоянии от края технике уже в течение почти 120 были нанесены по три штриха талет и на сегодняшний день являет- ким образом, чтобы расстояние ся единственным эталоном основ- между средними штрихами равняной единицы СИ, который пред- лось 1 м. Один из этих стержней (эталон № 6) оказался при 0∞С точставляет собой артефакт. Но как материальный артефакт но равным “метру архива Франон не принадлежит к инварианту ции” и поэтому был принят в качеприроды и поэтому может быть по- стве международного прототипа вреждён; кроме того, имеется пред- метра. Ос­таль­ные эталоны передаположение, что его масса может из- ли различным странам. В частноменяться со временем, возможно, сти, в Россию попали экземпляры № 11 и № 28. на 50 мг в столетие (или больше). Таким образом, в приведённых Таким же артефактом в течение многих лет был и эталон единицы выше случаях “определение и воспроизведение единиц было одним длины – метр. В 1791 г. за единицу длины – и тем же актом, т.к. определение метр – была принята длина десяти- единиц соответствовало конкретмиллионной части четверти дуги ным физическим объектам, парамеридиана, проходящего через Па- метры которых принимались за риж. Но уже в 1837 г. выяснилось: единицы” [5]. Другой, качественно отличдлина четверти меридиана составляет не 10 млн, а 10 млн 856 м. ный, способ определения основных единиц СИ представлен в сле* Также см. МИ. – 2008. – № 10. – С. 54–59. дующем разделе. теория. исследования. практика 38 Мир измерений 4/2010 Определение и воспроизведение единицы с использованием определяющего уравнения Воспроизведение многих единиц СИ не в полной мере соответствует их определениям. В качестве примера приведём определение единицы электрического то­ ка – ампера, названной в честь французского физика и математика Андре Мари Ампера (1775– 1836 гг.). Определение единицы силы электрического тока основано на законе Ампера для двух параллельных проводников с токами, расположенных в вакууме: . (1) В соответствии с определяющим уравнением (1) ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 ¥ 10-7 Н на каждый метр длины (одобрено IХ ГКМВ в 1948 г.). Различие между определениями ампера и килограмма заключа- ется в том, что определение килограмма базируется на определённом свойстве конкретного макроскопического тела, а определение ампера описывает идеализированную физическую модель. Именно поэтому способ воспроизведения ампера на практике принципиально не может соответствовать в полной мере его определению, т.к. система из двух бесконечных параллельных проводников нулевого диаметра с конечным током идеальна и на практике невозможна. Поэтому обычно измеряется сила взаимодействия не между парой проводников, а между двумя катушками с большим количеством витков провода. Именно такое техническое решение для воспроизведения ампера было впервые реализовано в 1934 г. в Национальном бюро стандартов США. Одна из катушек была закреплена, а вторая подвешена к одному плечу рычажных весов. На другое плечо подвешивались гири, сила тяжести которых уравновешивала силу взаимодействия между последовательно соединёнными катушками с током. Неопределённость определения ампера в таком устройстве составляла несколько десятков ppm. В 1958 г. в эксперименте с “токовыми весами” неопределённость была снижена до 5 ppm, что, повидимому, приближается к пределу возможностей метода. Единицы длины в СИ также претерпели изменение. XI Гене- ральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. было утверждено следующее определение: “метр – длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86”. Это новое определение не изменило размер метра, но: 1) дало возможность уменьшить неопределённость воспроизведения метра почти на два порядка; 2) сделало эталон единицы длины независимым от условий хранения и от времени. К рассмотренным ранее двум определениям основных единиц – ампера и метра – можно также добавить и современное определение единицы времени (принято в 1965 г. на XII Генеральной конференции по мерам и весам): “cекунда – интервал времени, в течение которого совершаются 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями (F = 4, mF = 0, F = 3, mF = 0) основного состояния атома цезия-133 в отсутствии внешних полей”. Кроме того, общим для всех трёх определений (“ампера-46”, “метра-60”, “секунды-65”) является то, что процедура воспроизведения этих единиц представляет собой выполнение некоторых экспериментальных операций, которые следуют из определения самой единицы. Благодаря этим экспериментальным операциям уста- В 1889 г. из платиноиридиевого сплава изготовили 31 стрежень длиной по 102 см каждый с Х-образными профилями поперечных сечений. На обоих концах каждого такого стержня-линейки на некотором расстоянии от края были нанесены по три штриха таким образом, чтобы расстояние между средними штрихами равнялось 1 м 39 Мир измерений 4/2010 КJ = 2e/h и RК = h/e2. навливается и само содержание (2) понятия единицы, в частности Необходимо особо отметить, силы электрического тока, длины что процедура воспроизведения и времени. “метра-83” не соответствует опреОпределение единиц делению самой единицы длины. с использованием Определение это не является квантовых эффектов операциональным, и воспроизвеи точных значений сти единицу длины строго в соответствии с определением “метрафундаментальных 83” нельзя в принципе [6]. МКМВ, физических констант В последние несколько десяти- приняв определение “метра-83”, летий основной тенденцией в ме- в то же время рекомендовал вострологии является переход на эта- производить метр интерферомелоны, основанные на стабильных трическим методом, сохраняя префизических эффектах и фунда- емственность с “метром-60” и учиментальных физических констан- тывая новые технологические дотах (ФФК). При этом ФФК исполь- стижения в радиооптических иззуются не только при воспроизве- мерениях. Точность воспроизведедении единицы физической вели- ния метра возросла сразу на два чины, но и в определении едини- порядка. Применение ФФК в определецы. В частности, в 1983 г. на XVII Генеральной конференции по ме- нии единицы длины СИ является, рам и весам было принято опреде- с одной стороны, подтверждением ление метра, использующее ско- основного направления развития рость света в вакууме с: “метр – фундаментальной метрологии, надлина пути, проходимого светом в званного квантовой метрологией, вакууме за 1/299792458 долю секунды “основа которой состоит в применении для воспроизведения еди(точно)”. ФФК также применяются и в ниц физических величин стабильописании того или иного эффекта, ных явлений, реализуемых в атомиспользуемого для поддержания ных и макроскопических системах единицы. В частности, МКМВ в и отражающих фундаментальные 1998 г. утвердил значения кон- квантовые законы природы” [7]. С другой стороны, определение стант Джозефсона и Клитцинга и “метра-83” является первым в церекомендовал начиная с 1990 г. почке определений основных едивоспроизводить единицу напряжения “вольт” на основе эффекта ниц СИ, в котором была прервана Джозефсона, считая константу традиция операциональных опреДжозефсона равной КJ = КJ–90 = делений. Что касается предлагаемых = 483597,9 ГГц/В, и воспроизводить единицу сопротивления “ом” переопределений килограмма, то, на основе квантового эффекта Хол- по мнению директора ФГУП ла, считая константу Клитцинга ­“ВНИИМС” Кононогова С.А., в церавной RК = RК–90 = 25 812,807 Ом. лях более простого, доступного поНапомним, что согласно тео- нимания физической сути (это карии, объясняющей эффекты Джо- сается школьников, студентов, назефсона и Клитцинга, физические чинающих учёных) лучше опредепостоянные КJ и RК являются про- лять единицу массы через число стыми комбинациями фундамен- Авогадро [3]. На наш взгляд, килограмм не тальных физических констант – должен определяться с использопостоянной Планка h и элементарванием фиксированного значеного заряда e: ния постоянной Планка не только из-за сложности восприятия, но и из-за “искусственности и некорректности с физической точки зрения предложенных определений” [8]. Переопределения основных единиц СИ планируется принять в 2011 г. Следовательно, ещё есть время для правильного выбора новых определений основных единиц, в частности правильного выбора переопределений килограмма. Литература 1. Mills I.M., Mоhr P.J., Quinn T.J., Taylоr N., Williams E.R. Redefinitiоn оf the kilоgram, ampere, kelvin and mоle: a prоpоsed apprоach tо implementing CIPM recоmmendatiоn 1 (CI-2005) // Metrоlоgia. – 2006. – V. 43. – P. 227– 246. 2. Mills I.M., Mоhr P.J., Quinn T.J., Taylоr N., Williams E.R. Redefinitiоn оf the kilоgram: a decisiоn whоse time has cоme // Metrоlоgia. – 2005. – V. 42. – P. 71–80. 3. Кононогов С.А. Эталоны: куда идём? Интервью с директором ФГУП “ВНИИМС” // Мир измерений. – 2009. – № 2. – С. 22–33. 4. Kоse V., Siebert B.R.L., Wöger W. General principles fоr the definitiоn оf the base units in the SI // Metrоlоgia. – 2003. – V. 40, №. 4. – P. 146–153. 5. Горбацевич С.В. Некоторые соображения об определении, воспроизведении и поддержании единиц физических величин и эталонах // Измерительная техника. – 1981. – № 4. – С. 10–12. 6. Колосницин Н.И., Кононогов С.А. О методологических принципах метрологии // Измерительная техника. – 2006. – № 8. – С. 3–6. 7. Тарбеев Ю.В., Краснов К.А., Герасимов Н.П., Тунинский В.С. Фундаментальные физические константы и воспроизведение единиц физических величин // Измерительная техника. – 1984. – № 7. – С. 10–12. 8. Трунов Г.М. Такой килограмм нам не нужен // Мир измерений. – 2009. – № 8. – С. 20–22. •
