Два вида физических констант

Платиноиридиевый эталон метра был принят в середине XIX века и хранится в Международном Бюро Мер и Весов. Его точность 10^-7. Самый большой недостаток этого эталона в сложности его воспроизведения. Ведь для того, чтобы создать такой же эталон, необходимо точно воспроизвести технологию получения платиноиридиевого сплава, а это даже для высокоразвитой промышленности весьма сложная задача. Причём, даже при точном соблюдении всех условий всегда имеется возможность ошибки.

Кроме того, такая простая на первый взгляд задача, как нанесение на данном эталоне штрихов, расстояние между которыми и равно одному метру, также не может быть выполнена принципиально безошибочно. Погрешность очень мала, но существует, но потому, что каждый штрих имеет хоть и весьма малую, но всё равно конечную толщину, которая и определяет величину погрешности данного эталона метра. Такой метр сейчас имеет только историческую ценность, поэтому и называется архивным метром.

Современный эталон метра базируется, как мы видели, на фундаментальных свойствах окружающего мира, поэтому называется естественным. Так как он основывается на естественных свойствах вещества, воспроизвести его можно практически в любой достаточно хорошо оборудованной физической лаборатории. Ведь свойства света, используемого в приборах, воспроизводящих данный эталон естественны, и не зависят от этих приборов. Точность естественного эталона метра выше на 2 порядка и составляет 10^-9.

Заметим здесь, что физики для измерений малых промежутков длины, например, длин световых волн часто применяют единицу длины, которая называется Ангстрем по имени шведского учёного впервые предложившего её. 1 Ǻ = 10^-8 см = 10^-7 мм = 10^-4 мкм = 0.1 нм.

Одна секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.

Цезиевый эталон частоты (вакуумная камера)

Эталон времени - особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время - очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание.

В России главный эталон времени находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой, это сложный комплекс, в который входят дающие строго определенную частоту генераторы, водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, служащий для измерения частот излучения лазера. Кроме России такие мосты есть только в США, Канаде, Франции и Великобритании. Российский госэталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5х10-14, т.е. 0,000000000000005 сек, что позволяет накопить погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.

Цезиевыечасы courtesy of PTB

Ранее эталон времени устанавливался по тропическому году — промежутку между двумя последовательными прохождениям Солнца через точку весеннего равноденствия, но из-за прецессии земной оси, он непостоянен. Следовательно за тропический год принята некоторая величина, условно равная 1900 году, который начался в полдень по Гринвичскому времени 1 января 1900 года. Все координаты звёзд считались в соответствии с этим средним годом. Но так как год, кавк было сказано, меняет свою величину, приходилось вносить поправки. В середине века все координаты были пересчитаны на эпоху 1950 года, а сейчас пересчитаны на эпоху 2000 г.

XIIАссамблея по мерам и весам в 1965 году приняла определение секунды на атомном эталоне частоты

”Эталон представляет собой переход между двумя сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0, F = 3, M = 0 основного состояния 2s1/2 атома цезия-133 невозмущённого внешними полями и что частоте этого перехода приписывается значение 9192631 Гц” - то есть столько переходов в 1 сек совершается между двумя этими состояниями атома.

В 1997 году было уточнено, что атом цезия при этом должен охлаждаться до температуры близкой к абсолютному нулю по шкале Кельвина. Цезиевые часы, показанные на рисунке охлаждаются до таких температур.

Аналогично все эталоны единиц основываются на физических константах.

Только для одного эталона пока не удалось подобрать способа воспроизведения основанного на мировых константах и связать с временными единицами, как это сделали с единицами длины, времени, силы тока, температуры и т.д. Это единица массы – килограмм. Крупные физические лаборатории работают в этом направлении, но пока окончательного результата нет. Эталон массы по-прежнему платиново-иридиевый цилиндр, высота которого равно его длине, помещённый под двойной стеклянный колпак, из-под которого откачан воздух. Этот эталон утверждён решением Международного Бюро Мер и Весов (МБМВ). ПО решению IГенеральной конференции по Мерам и Весам из 42 изготовленых образцов России передано два. За № 12 и за № 26. Причём № 12 утверждён в качестве государственного эталона массы. Второй — используется как вторичный эталон. И хранится в ВНИИМ им. Д.И.Менделеева в Петербурге. Периодически национальные эталоны проходят проверку и сличение с Международным эталоном килограмма, хранящимся под Парижем (Севр). Сверка российского эталона проводившаяся в 1979 году показала, что его масса равна 1.000000087 кг.

В настоящее время проводится работа в рамках проекта Авогадро для создания эталона килограмма на основе фундаментальной физической константы. См. Статья Весомый довод (В мире науки). По самым свежим данным (июль 2010) Научно-конструкторское предприятие Топливной компании Росатома“ТВЭЛ” ЗАО ЦентротехСпб.

Основная цель проекта — определение числа Авогадро с точностью 2*10^-8, что в 15 раз точнее существующего эталона. Эта задача решается через подсчёт определённого числа атомов изотопа Si-28 путём разделения тетрахлоридакрнемния природного изотопного состава. Для этого была изготовлена центрифуга для разделения стабильных изотопов, и на выходе был получен чистый кремний-28. Его химическая чистота оказалась на 50% выше предусмотренной заданием.

Далее учёные Австралии, США, Франции и др. стран должны приступить к изготовлению собственно эталона, который будет представлять собой шар идеальной формы. Между тем его форма тоже имеет отклонения (см. рис.). Поэтому процесс его изготовления и контроля достаточно сложен.

Подобные материалы могут быть использованы также при создании компьютеров следующих поколений. Кроме числа Авогадро, такая технология нужна и для уточнения других констант, например, постоянной Планка.

Другой путь создания нового эталона килограмма — электромагнитные весы, с помощью которых можно определить силу веса, а, значит, и массу. Фото этих весов также в статье Весомый довод (В мире науки. № 4. 2007) (см. рис.).