2018 se može nazvati sudbonosnom godinom u mjeriteljstvu, jer je ovo vrijeme prave tehnološke revolucije u međunarodnom sistemu jedinica fizičkih veličina SI. Radi se o reviziji definicija glavnih fizičkih veličina. Hoće li kilogram krompira u samoposluzi sada težiti na novi način? C krompir će biti isti. Nešto drugo će se promijeniti.
Pre SI sistema
U davnim vremenima bili su potrebni zajednički standardi u težinama i mjerama. Ali opća pravila za mjerenja postala su posebno neophodna s dolaskom naučnog i tehnološkog napretka. Naučnici su morali da govore zajedničkim jezikom: koliko centimetara je jedna noga? A šta je centimetar u Francuskoj kada nije isto što i italijanski?
Francusku možemo nazvati počasnim veteranom i pobjednikom istorijskih metroloških bitaka. U Francuskoj je 1791. godine službeno odobren mjerni sistem i njihovjedinice, a definicije glavnih fizičkih veličina su opisane i potvrđene kao državni dokumenti.
Francuzi su prvi shvatili da fizičke veličine treba vezati za prirodne objekte. Na primjer, jedan metar je opisan kao 1/40.000.000 dužine meridijana od sjevera prema jugu prema ekvatoru. Tako je bio vezan za veličinu Zemlje.
Jedan gram je takođe vezan za prirodne fenomene: definisan je kao masa vode u kubnom centimetru na nivou temperature blizu nule (otopljenje leda).
Ali, kako se pokazalo, Zemlja uopšte nije savršena lopta, a voda u kocki može imati različita svojstva ako sadrži nečistoće. Stoga su se veličine ovih količina u različitim dijelovima planete neznatno razlikovale jedna od druge.
Početkom 19. veka, Nemci, predvođeni matematičarem Karlom Gausom, ušli su u posao. Predložio je da se ažurira sistem mjera centimetar-gram-sekunda, a od tada su metričke jedinice otišle u svijet, nauku i priznate od međunarodne zajednice, formiran je međunarodni sistem jedinica fizičkih veličina.
Odlučeno je da se dužina meridijana i masa kocke vode zamijene standardima koji su bili pohranjeni u Birou za mjere i utege u Parizu, uz distribuciju kopija zemljama koje učestvuju u metrici konvencija.
Kilogram je, na primjer, izgledao kao cilindar napravljen od legure platine i iridija, što na kraju takođe nije postalo idealno rješenje.
Međunarodni sistem jedinica fizičkih veličina SI formiran je 1960. godine. U početku je uključivalo šestosnovne veličine: metri i dužina, kilogrami i masa, vrijeme u sekundama, jačina struje u amperima, termodinamička temperatura u kelvinima i jačina svjetlosti u kandelama. Deset godina kasnije, dodata im je još jedna - količina supstance, mjerena u molovima.
Važno je znati da se sve ostale mjerne jedinice fizičkih veličina međunarodnog sistema smatraju derivatima osnovnih, odnosno mogu se matematički izračunati korištenjem osnovnih veličina SI sistema.
Daleko od standarda
Fizički etaloni nisu bili najpouzdaniji sistem mjerenja. Sam standard kilograma i njegove kopije po zemljama periodično se međusobno uspoređuju. Usklađivanja pokazuju promjene u masama ovih standarda, što nastaje iz različitih razloga: prašina prilikom verifikacije, interakcija sa postoljem ili nešto drugo. Naučnici već dugo primjećuju ove neugodne nijanse. Došlo je vrijeme da se revidiraju parametri jedinica fizičkih veličina međunarodnog sistema u mjeriteljstvu.
Stoga su se neke definicije veličina postepeno menjale: naučnici su pokušavali da pobegnu od fizičkih standarda, koji su na ovaj ili onaj način menjali svoje parametre tokom vremena. Najbolji način je da se izvedu količine u smislu nepromjenjivih svojstava, kao što su brzina svjetlosti ili promjene u strukturi atoma.
Uoči revolucije u SI sistemu
Glavne tehnološke promjene u međunarodnom sistemu jedinica fizičkih veličina sprovode se glasanjem članova Međunarodnog biroa za utege i mjere na godišnjoj konferenciji. Ako budu odobrene, promjene će stupiti na snagu nakon nekolikomjeseci.
Sve je ovo izuzetno važno za naučnike čija istraživanja i eksperimenti zahtevaju najveću preciznost u merenjima i formulacijama.
Novi referentni standardi iz 2018. pomoći će u postizanju najvišeg nivoa tačnosti u bilo kojem mjerenju na bilo kojem mjestu, vremenu i mjerilu. I sve to bez gubitka u tačnosti.
Redefinisanje količina u SI sistemu
Odnosi se na četiri od sedam operativnih osnovnih fizičkih veličina. Odlučeno je da se redefiniraju sljedeće količine s jedinicama:
- kilogram (masa) koristeći jedinice Plankove konstante u izrazu;
- amper (struja) sa mjerenjem punjenja;
- kelvin (termodinamička temperatura) sa jediničnim izrazom koristeći Boltzmannu konstantu;
- mol kroz Avogadrovu konstantu (količina supstance).
Za preostale tri količine, tekst definicija će se promijeniti, ali će njihova suština ostati nepromijenjena:
- metar (dužina);
- sekunda (vrijeme);
- candela (intenzitet svjetlosti).
Promjene sa pojačalom
Šta je danas amper kao jedinica fizičkih veličina u međunarodnom SI sistemu, predloženo je još 1946. godine. Definicija je bila vezana za jačinu struje između dva vodiča u vakuumu na udaljenosti od jednog metra, specificirajući sve nijanse ove strukture. Nepreciznost i glomazno mjerenje su dvije glavne karakteristike ove definicije sa današnje tačke gledišta.
U novoj definiciji, amper je električna struja jednakaprotok fiksnog broja električnih naboja u sekundi. Jedinica je izražena u naelektrisanju elektrona.
Za određivanje ažuriranog ampera potreban je samo jedan alat - takozvana pumpa s jednim elektronom, koja je u stanju da pomjeri elektrone.
Novi mol i čistoća silicijuma 99,9998%
Stara definicija mola odnosi se na količinu materije koja je jednaka broju atoma u izotopu ugljenika mase 0,012 kg.
U novoj verziji, ovo je količina supstance koja se nalazi u tačno definisanom broju specificiranih strukturnih jedinica. Ove jedinice su izražene pomoću Avogadrova konstante.
Također ima mnogo briga oko Avogadrovog broja. Da bi se to izračunalo, odlučeno je da se stvori sfera od silicija-28. Ovaj izotop silicijuma odlikuje se preciznom kristalnom rešetkom do savršenstva. Stoga se broj atoma u njemu može precizno izbrojati pomoću laserskog sistema koji mjeri prečnik sfere.
Moglo bi se, naravno, tvrditi da ne postoji fundamentalna razlika između sfere silicijum-28 i trenutne legure platine i iridijuma. I ta i druga supstanca vremenom gube atome. Gubi, zar ne. Ali silicij-28 ih gubi predvidljivom brzinom, tako da će se referenca stalno prilagođavati.
Najčistiji silicijum-28 za sferu nedavno je nabavljen u SAD-u. Njegova čistoća je 99,9998%.
A sada Kelvin
Kelvin je jedna od jedinica fizičkih veličina u međunarodnom sistemu i koristi se za mjerenje nivoa termodinamičke temperature. "Na stari način" je jednako 1/273, 16dijelovi temperature trostruke tačke vode. Trostruka tačka vode je izuzetno zanimljiva komponenta. Ovo je nivo temperature i pritiska na kojem se voda nalazi u tri stanja odjednom - "para, led i voda."
Definicija "šepanja na obje noge" iz sljedećeg razloga: vrijednost kelvina prvenstveno ovisi o sastavu vode sa teoretski poznatim omjerom izotopa. Ali u praksi je bilo nemoguće dobiti vodu sa takvim karakteristikama.
Novi kelvin će biti definisan na sledeći način: jedan kelvin je jednak promeni toplotne energije za 1,4 × 10−23j. Jedinice su izražene pomoću Boltzmannove konstante. Sada se nivo temperature može izmjeriti fiksiranjem brzine zvuka u plinskoj sferi.
Kilogram bez standarda
Već znamo da u Parizu postoji standard od platine sa iridijumom, koji je na neki način promenio svoju težinu tokom upotrebe u metrologiji i sistemu jedinica fizičkih veličina.
Nova definicija kilograma je: Jedan kilogram je izražen kao Planckova konstanta podijeljena sa 6,63 × 10−34 m2 · s−1.
Mjerenje mase sada se može vršiti na "vatnim" skalama. Neka vas ime ne zavara, ovo nisu uobičajene vage, već električna energija koja je dovoljna da podignete predmet koji leži na drugoj strani vage.
Promene principa konstruisanja jedinica fizičkih veličina i njihovog sistema u celini potrebne su, pre svega, u teorijskim oblastima nauke. Glavni faktori u ažuriranom sistemusu sada prirodne konstante.
Ovo je logičan zaključak višegodišnjeg djelovanja međunarodne grupe ozbiljnih naučnika čiji su napori dugo vremena bili usmjereni na pronalaženje idealnih mjerenja i definicija jedinica zasnovanih na zakonima fundamentalne fizike..
