Наука
  • 1010
  • Прощай, эталон килограмма!


    Все килограммовые гири мира сделаны по образцу оригинального эталона, хранящегося во Франции

    16.11.2018. ВВС, Николай Воронин

    Прощай, килограмм! Почему наша единица массы безнадежно устарела



    Эталоны килограмма немного тяжелеют по мере загрязнения поверхности и теряют вес в процессе очистки, так что их массу нельзя считать постоянной

    В 2019 году мы все попрощаемся с нашими килограммами. Но — нет, худее от этого никто не станет.

    В пятницу правительства всего мира должны утвердить новое определение килограмма — чему именно равна и как должна рассчитываться основная единица измерения массы.

    И хотя это никак не отразится на нашей повседневной жизни, значение этого шага для научного мира и промышленности, где требуются предельно точные измерения, трудно переоценить.

    Килограмм — одна из семи основных единиц международной системы измерений (СИ).

    Определения четырех из них — самого килограмма, а также ампера (измеряет силу тока), кельвина (температуру) и моля (количество вещества) — будут пересмотрены на Всеобщей конференции мер и весов, которая проходит в пятницу под Парижем, в Версале.

    Оригинальный килограмм
    Килограмм — последняя из единиц СИ, в основе которой лежит реальный физический объект. Принятое еще в 1901 году официальное определение ровно так и звучит: «Килограмм — это единица массы, равная массе международного прототипа килограмма».

    Международный прототип — это 4-сантиметровый цилиндр, состоящий на 90% из платины и на 10% из иридия. Он был произведен в Лондоне и с 1889 года хранится в Международном бюро мер и весов в городе Севре под Парижем.

    Но физические объекты могут терять атомы (фактически испаряться) или, напротив, впитывать молекулы из окружающего воздуха, так что за прошедшее столетие масса эталона изменилась на несколько десятков микрограммов.

    А это значит, что все остальные прототипы килограмма, по которым калибруют весы по всему миру, строго говоря, не идеально точны.


    В повседневной жизни отклонения на тысячные доли грамма заметить невозможно

    Столь незначительные отклонения не имеют никакого значения в привычной нам жизни, однако представляют огромную проблему для точных научных вычислений.

    "Если когда-нибудь инопланетяне прилетят на Землю, о чем нам еще с ними разговаривать, если не о физике? Но чтобы говорить о физике, нужно будет договориться и об общих единицах измерений. И если мы скажем, что в основе нашей единицы массы лежит металлическая гиря из Парижа, над нами будет смеяться вся Вселенная", — заявил накануне голосования представитель Национального института стандартов и технологий США Стивен Шламмингер.

    Новый килограмм
    По большому счету, голосование в пятницу будет формальным: напряженные дебаты уже состоялись (несколько стран предлагали свои, альтернативные определения), решение согласовано.

    В будущем килограмм предполагается измерять при помощи так называемых весов Ватта (или баланса Киббла) — этот прибор определяет массу через постоянную Планка, основную константу квантовой теории.

    Проще говоря, определение килограмма будет увязано с количеством электромагнитной энергии, необходимой для того, чтобы уравновесить объект соответствующей массы. Эталонную гирю заменят электрический ток и напряжение, пропорциональное силе создаваемого ей гравитационного поля.



    Эти величины, в отличие от самого физического объекта, не могут измениться или пропасть. А кроме того, точно отмерять килограмм теперь смогут любые ученые по всему миру, а не только те, у кого есть доступ к оригинальной парижской гире или ее копии.

    По словам главы британской Национальной физической лаборатории Теодора Йанссена, отвечающего за стандарты измерения, пятничное голосование — поворотный момент в истории физики.

    «После этого все единицы системы СИ будут основаны на фундаментальных константах природы — вечных, неизменных величинах, — объясняет он. — Это позволит проводить куда более точные измерения и укрепит основы науки в целом».


    Так выглядят весы Ватта

    Другие изменения
    Новое определение килограмма должно вступить в силу в мае следующего года.

    В пятницу также будут пересмотрены определения ампера, кельвина и моля.

    Ампер (сила тока) будут измерять, подсчитывая число создающих ток и по одному переносимых электронов.

    Кельвин (температура) — за счет акустической термометрии, измеряя скорость звука в сфере, заполненной газом определенной температуры.

    Моль (количество вещества) пересмотрят при помощи инструмента, определяющего точное число атомов в идеальной сфере из чистого кремния-28.




    Об эталонах в РФ: nplus1.ru/material/2018/11/15/etalon

    16 комментариев

    avatar
    Слава богу, конечно, что СИ окончательно отказалась от всяких артефактов и привязала свои основные единицы к физическим константам. Но от этого СИ не стала физической системой, а по-прежнему осталась технической. Строго говоря, физика не нуждается ни в каких Амперах и Канделах, как основных единицах. Расширения СГС (СГСЭ, СГСМ, СГС симметричная и пр.) прекрасно обходятся без подобных «основных единиц»: хватает сантиметра, грамма и секунды, а формулы становятся лишь проще и исчезают дурацкие «диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума», например. Строго говоря, нет нужды и в особой единице для температуры: ничего не мешает выражать ее в единицах энергии, а постоянную Больцмана сделать безразмерной. Или даже постулировать равной 1. Моль/киломоль в качестве «основных единиц» тоже нужны физике примерно так же, как башмаки — рыбе.
    0
    avatar
    А при желании, можно обойтись вообще какими-нибудь двумя «основными» единицами. Ибо единицы времени и расстояния можно выразить друг через друга и фундаментальную физическую константу (скорость света).
    +1
    avatar
    сложновато для пятницы)))
    Главное чтобы они не сильно двигали килограмм туда-сюда. Есл на какие-то наномиллиграммы — то пёс бы с ним, а если теперь килограмм станет весить полтора — то с одной стороны мой вес войдёт в приятное соответствие с моим ростом по формуле, а с другой — я уже не смогу так много поднимать)))
    А вообще метрическая система — просто чудо волшебное. 1 грамм — вес кубика воды со сторонами в 1 сантиметр. Который ещё при этом и замерзает при 0° и кипит при 100° И дальше всё прекрасно вяжется кратно 10/100/1000/10000/… — Килограммы, метры, тонны, километры.
    То ли дело в загнивающих Штатах — там сам чёрт ногу сломит. Дюйм (2,54 см) — это 1/12 фута. Фут — это 1/3 ярда, а ярд — это расстояние между кончиком носа и большим пальцем вытянутой руки короля Англии Генриха I — вот где п… ц! Где можно ознакомится с эталонным Генрихом? С весом у них такая же шляпа — в этих гранах, унциях и фунтах без галлона тёмного эля не разберёшься… И с температурой вообще эпик. В целсиях, как я уже говорил — всё просто. При нуле вода замерзает, при ста — кипит. А в этих фаренгейтах при +32 замерзает, при +212 — кипит… То есть кратно 10 с кипением воды вообще никак не сопоставляется. Вот 1 калория — это количество тепла, необходиоме для нагревания 1 кубического сантиметра воды на 1° по цельсию. Теперь пятничная задачка — сколько джоулей нужно, чтобы нагреть 1 кубический дюйм воды на 1 градус по Фарентгейту? приятного вечера)
    +1
    avatar
    Насчёт килограма — не беспокойтесь: разницы вы не заметите

    Что до калории, то это, как раз, внесистемная единица. В СИ энергию именно что в Джоулях меряют.

    Шкалы Цельсия и Фаренгейта — тоже внесистемные. В СИ используют шкалу Кельвина, где только величина градуса совпадает с Цельсием, а ноль пониже будет ;)

    Температуры кипения и замерзания воды сильно зависят от давления. А еще — от наличия примесей. Например, соли.

    сложновато для пятницы)))

    а я виноват, что они в пятницу заседают? *Angel*
    0
    avatar
    Главное чтобы они не сильно двигали килограмм туда-сюда. Есл на какие-то наномиллиграммы — то пёс бы с ним, а если теперь килограмм станет весить полтора
    Они стараются вообще не двигать, даже на нанограммы.
    Хотя казалось бы почему не сделать скорость света ровно 300 000 000 м/с, вместо нынешних 299 792 458 м/с, удобнее было бы. Но не желательно, все шкалы сдвигать придётся.
    А в этих фаренгейтах при +32 замерзает, при +212 — кипит…
    Шкала Фаренгейта сделана, как ни странно, для удобства обывателя. Температура на улице почти всегда от 0 до 100, например.
    0
    avatar
    Все эти эталонные платиново-иридиевые килограммы за сто лет то ли набирают порядка 50 мкг (в нанограммах это уже 50.000), то ли теряют. А как правильно, никто не знает, ибо главный образец в Париже тоже меняет массу, подобно своим прочим собратьям. Но вскоре с этим будет покончено.
    0
    avatar
    Вот кстати интересно как определят массу эталона.
    0
    avatar
    +1
    avatar
    Вот кстати интересно как определят массу эталона

    Это будет сделано на основе измерений не менее трех групп, обеспечивших точность не менее некоей границы. Причем хотя бы у одной из групп метод измерения должен коренным образом отличаться. Такие три группы есть и у одной метод отличается от двух других.

    Две группы измеряют массу (на деле — вес) «весами», уравновешивая образец в поле притяжения Земли с электромагнитной силой, величина которой известна.

    Другой метод — создание почти идеального шара из кристаллического кремния (причем используется только один изотоп кремния). Можно с высокой точностью определить число атомов в шаре, массы атомов известны (тоже с некоей точностью), перемножаем и узнаем массу шара. Максимальные абсолютная и относительная погрешности метода тоже легко вычисляются.

    Подробнее в прошлогоднем тексте: nplus1.ru/material/2017/07/11/redefinition
    0
    avatar
    Главное, что бы это не был путенско-лукашенковский «килограмм» *lol*
    0
    avatar
    Что-то не пойму. Весы измеряют вес, а не массу. Вес в свою очередь зависит от g, а оно в разных точках Земли разное. Сначала будут замерять g, а потом замерять и вычислять массу?
    +2
    avatar
    Хорошее замечание. Когда сравнивали с платино-иридиевым эталоном, g было безразлично. Ибо ускорение свободного падения было для сравниваемых образцов одинаковым. А когда взвешивать начали в вакууме, то и влияние плотности атмосферы отпало (объем-то образцов мог как-то отличаться).

    В принципе, в новом методе это решаемо, если заменить тяготение контроллируемой центробежной силой в горизонтальном направлении. Но делают, все же, не так.

    Влияние вращения Земли (зависит от широты) наверняка учтут. Неоднородность гравитационного поля — бог весть. Вопрос, насколько она велика/мала. И, в любом случае, есть альтернативный метод, не связанный со взвешиванием и никак не зависящий от g.
    0
    avatar
    Тут (https://nplus1.ru/blog/2019/05/20/new-kg-standard) пишут, что в весах Киббла есть независимый канал одновременного измерения ускорения свободного падения. То есть, измеряются и вес и ускорение.
    0
    avatar
    -Что такое лошадиная сила?

    -Это сила, которую развивает лошадь ростом 1 метр и весом в 1 килограмм.

    -Помилуйте, где же Вы такую лошадь видели?

    -А увидеть ее нельзя, она хранится в Париже в палате мер и весов…

    © кто-то
    0
    avatar
    Некоторые не понимают, зачем нужна наука физика. А вот зачем: физики выяснили, как у вомбатов получается какать кубиками! *Angel*


    Обыкновенный вомбат (Vombatus ursinus)
    0
    avatar
    20 Май 2019
    nplus1.ru/blog/2019/05/20/new-kg-standard

    С этого понедельника все единицы СИ оказались «отвязаны» от материальных носителей и отныне определяются через фундаментальные физические константы.

    Начиная с 20 мая 2019 года — со Всемирного дня метрологии — официально вступают в силу решения прошедшей в ноябре 2018 года в Париже 26-й Генеральной конференции по мерам и весам. Формально на этой встрече ученые приняли решении о переопределении четырех единиц: килограмма, ампера, кельвина и моля — через фундаментальные физические константы.

    Значения соответствующих постоянных фиксируются. Другими словами, теперь константы стали действительно константами.

    Значение постоянной Больцмана фиксируется и равна 1,380649 × 10^(-23) Дж / K (джоулей на кельвин), число Авогадро — 6,02214076 × 10^(23) моль^(-1), заряд электрона — 1,602 176 634 × 10^(-19) кулона, постоянная Планка — 6,62607015 × 10^(-34) килограмма на квадратный метр за секунду. Ранее, когда метр был переопределен через скорость света, так же была зафиксирована и скорость света в вакууме.

    «Плывущий» эталон
    На деле же глобальные изменения коснулись в основном килограмма. Ампер и кельвин уже давно в большинстве метрологических организаций был реализован через утвержденные в ноябре определения. А моль в прошлом году просто был законно отвязан от единицы массы.

    До реформы килограмма дела обстояли с точностью до наоборот. Была фиксирована единица массы. Вернее сказать, был создан объект — платино-иридиевый цилиндр, масса которого и звалась одним килограммом.

    Конечно, такая «фиксация» весьма условна — материальный объект претерпевал изменения за годы своей службы метрологам. Однако отследить эти изменения практически было невозможно, потому что, живя в пределах своего определения, килограмм не меняется, пока существует этот цилиндр. Ведь единица массы, как было сказано выше, — это масса цилиндра.

    Но долго так продолжаться не могло, ведь основывать мировую стандартизацию на «плывущих» величинах — дело опасное. К примеру, расхождения точных копий международного эталона килограмма составили десятки микрограммов, что дает неконтролируемую неточность в восьмой значащей цифре. К слову, фиксированное значение постоянной Планка содержит девять значащих цифр — то есть оно на два порядка точнее.

    Ввиду вышеупомянутых причин изменение определения килограмма обсуждалось очень давно. Основным условием для принятия нового килограмма было следующее: требовалось провести как минимум три эксперимента с весами Киббла (то есть определить килограмм через постоянную Планка), два из которых должны были иметь сходимость между собой 2 × 10^(-8). И еще обязательно было провести один эксперимент, основанный на другом принципе — через постоянную Авогадро. И расхождение с результатом этого эксперимента не должно было превышать 5 × 10^(-8) в относительных единицах.

    Пока требуемая точность не была достигнута, решение о новом определении килограмма не принимали.


    Цена независимости
    Международный коллектив поработал хорошо: необходимая точность была достигнута и килограмм переопределен.

    «Россия в переопределении единицы массы никак, к сожалению, не участвовала. После принятия формального решения о переходе к новому эталону килограмма через фундаментальную физическую константу, постоянную Планка, страны, у которых есть соответствующая аппаратура, получили «независимость»: теперь им не надо сверяться с парижским эталоном килограмма, они сами могут получать эталонное значение с помощью весов Киббла», — рассказал Снегов.

    Такими «независимыми» странами стали США, Швейцария, Великобритания, Канада, Китай, Германия. России тоже хотелось бы иметь такие возможности, но у нас нет своих весов Киббла.

    Снегов добавляет: «Стоимость проекта по созданию таких весов в Германии составляла порядка 150 миллионов евро, и им потребовалось три года. Мы можем поступить проще, например купить за рубежом коммерческие весы Киббла — они на порядок менее точные, на 2 × 10^(-7). Этого достаточно для практических целей тех стран, которые не претендуют на наивысшую точность».

    «У нас уже есть два коммерческих предложения от швейцарской фирмы Mettler-Toledo и германской Sartorius. Они нам предлагают взять готовый механический узел, а дальше мы его будем дорабатывать и настраивать, добавлять интерферометр, еще ряд вещей. Но основу мы должны будем закупать, этой технологии у нас просто нет», — продолжает Снегов.

    Также хранитель килограмма поделился оценками отечественного проекта: для получения «независимости» потребуется около 1,2 миллиарда рублей и примерно пять лет. Если созданная аппаратура успешно пройдет все мировые сличения и докажет способность воспроизводить единицу массы с необходимой точностью, нашим метрологам больше не придется никуда обращаться вообще — будем сами с килограммом.

    «Пока, в течение ближайших десяти лет, мы можем использовать старый эталон, в том же режиме, что был раньше. Через десять лет нам потребуется поверка — именно для этого мы приобрели за границей вакуумный компаратор, поскольку новые правила требуют именно вакуумного взвешивания, тогда как раньше сравнивали в воздухе», — говорит Снегов…

    Представление степеней (и, в одном случае, ещё и размерномти) я модифивировал с учётом, что Брама не сохраняет (вроде; реально не проверял) необходимое исходное форматирование
    0
    У нас вот как принято: только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут делиться своим мнением, извините.