Изменения констант небольшие и не повлияют на повседневную жизнь. Но пересмотренный СИ, полностью основанный на точных значениях этих констант, лежит в основе науки и коммерции и обеспечивает единообразно точные измерения, плавно масштабируемые от почти бесконечно малых до огромных.
На основе новейших измерений ученых со всего мира обновленные значения констант были подготовлены Целевой группой Комитета по данным для науки и технологий (CODATA) по фундаментальным константам (TGFC). Статья с новыми значениями принята к публикации в журнале Metrologia.
20 октября Международный комитет мер и весов (CIPM) представил резолюцию, рекомендующую переопределение SI Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM), официальному органу, который вносит изменения в SI. В ноябре 2018 года CGPM официально проголосует за принятие пересмотренной системы.
В CGPM входят участники из десятков стран, в том числе из США.S. и другие страны, подписавшие Конвенцию о метре, договор 1875 года, который стандартизировал единицы измерения на международном уровне.
В мире измерений СИ, основанная на фундаментальных константах, приведет к сдвигу. До сих пор CODATA TGFC обновляла значения констант каждые четыре года, последний раз в 2014 году, и производила это специальное обновление для четырех констант в этом году в ожидании обновленного SI.
«Значения этих четырех констант больше не изменятся», – сказал Питер Мор, ученый из Национального института стандартов и технологий (NIST) и член CODATA TGFC.
По его словам, значения будут фиксированными и указаны как точные, так же как скорость света в настоящее время определяется как точное значение. Это, в свою очередь, позволит ученым сосредоточиться на измерениях, которые сравнивают другие важные величины с константами.
Вместе с ранее принятыми константами обновленные значения переопределят семь основных единиц СИ, которые включают килограмм (единица массы), кельвин (единица температуры) и ампер (единица электрического тока).
С 1889 года килограмм определяли с помощью платино-иридиевого цилиндра, хранящегося во Франции, известного как Международный прототип килограмма, или «Le Grand K» ."Ученым со всего мира пришлось поехать во Францию и сравнить копии килограмма в своих странах с оригиналом, чтобы установить точные измерения массы в своих странах.
Между тем, температура была определена как «тройная точка» в герметичной стеклянной ячейке с водой.
Тройная точка – это температура, при которой вода, лед и водяной пар находятся в равновесии. Однако вода в этих ячейках может содержать химические примеси, которые могут сдвигать температуру тройной точки до неточных значений. А измерения температур выше или ниже тройной точки воды по своей природе менее точны.
Обновленные константы включают постоянную Больцмана (которая связывает температуру с энергией) и постоянную Планка (которая может связывать массу с электромагнитной энергией), заряд электрона и постоянную Авогадро (величина, определяющая один моль вещества).
"Никаких кардинальных изменений.
Постоянная Больцмана очень согласуется с более ранними значениями ", – сказал Мор. «Специалисты по температуре запросили восемь цифр для постоянной, и последняя цифра оказалась 0», – рассказал он – забавная ситуация для метрологов, поскольку они могут получить точность до восьми значащих цифр, используя только семь.
«Существует множество способов определения температуры, но новое определение будет очень полезно для измерения очень высоких и очень низких температур вдали от тройной точки воды», – сказал Дэвид Ньюэлл из NIST, председатель рабочей группы CODATA.
Постоянная Планка снизилась на 15 частей на миллиард по сравнению с предыдущим значением из-за новых данных, собранных с 2014 года. Постоянная Планка была определена двумя экспериментальными методами, известными как весы Киббла и метод Авогадро. Все измерения, которые использовались для определения нового значения Планка, соответствовали ранее согласованным международным рекомендациям по уровням точности и согласованности друг с другом.
По словам Ньюэлл, постоянная Планка может использоваться для определения килограмма, а использование фундаментальной константы для определения массы решит многие проблемы.
Массу нужно измерять в очень большом масштабе, от атома до фармацевтики и небоскреба. «На нижнем уровне вы в настоящее время используете один тип физики для определения массы; на верхнем уровне вы используете другой тип физики», – сказал он.
Но постоянная Планка обеспечит последовательный способ определения массы во всех этих масштабах, независимо от того, какой лабораторный метод используется для измерения массы.
"Неважно, какой метод вы используете. "Константа есть константа", – сказал Мор.
Мечтает использовать постоянную Планка для определения массы так же, как свет используется для измерения расстояния. В СИ скорость света уже используется для определения метра, единицы длины. «Вы используете свет, чтобы измерить расстояние до Луны или расстояние между атомами кремния», – сказал он.
Переход к пересмотренной системе SI должен быть беспроблемным практически для всех в мире.
«Все сделано так, чтобы не оказывать никакого влияния на обычного человека», – сказал Мор.
Но ожидается, что СИ, основанный на новых константах, изменит мир метрологии.
Le Grand K во Франции больше не будет точно определять один килограмм. Вместо этого он, вероятно, будет иметь массу чуть меньше или чуть больше одного килограмма с точностью до 10 частей на миллиард с погрешностью.
Напряжение также изменится, поскольку постоянная Планка также поможет определить его в исправленной системе СИ. Вольт, основанный исключительно на фундаментальных константах, будет немного меньше, примерно на 100 частей на миллиард, чем текущая научная реализация вольта, установленная в 1990 году.
Таким образом, метрологические лаборатории высшего уровня должны будут заново откалибровать свои высокоточные измерения напряжения.
«Люди, выполняющие такие высокоточные измерения, заметят сдвиг», – сказал Мор.
Вот почему официальное внедрение обновленной версии SI намечено на 20 мая 2019 г., во Всемирный день метрологии, чтобы у высококлассных метрологов было время приспособиться к новым значениям.
"Это более широкий сдвиг философской парадигмы", – сказал Мор.
"Когда скорость света стала фиксированным числом, исследователи перестали измерять скорость света. Они сосредоточились на реализации метра.
То же самое и с постоянной Планка. Вы больше не собираетесь измерять постоянную Планка. Вы собираетесь более точно определять массовые и электрические стандарты."