Леонид Ашкинази - Очень общая метрология

• Название: Очень общая метрология
• Автор: Леонид Ашкинази
• Жанр: Научпоп

---

Выход очевиден — переход к атомным эталонам, ибо ортодоксальная физика ясно говорит, что атомы одинаковы и масса их не изменяется со временем, что скорость света в вакууме одинакова и неизменна, что все прочие мировые константы — тоже константы. Именно на этом уровне обоснования построено действующее в настоящее время определение метра. Метр определен как расстояние, которое свет проходит за некоторое время. В какой ситуации такое определение лучше? Если скорость света и это некоторое время определяются стабильнее, повторяемее, и передавать построенный таким образом эталон легче — то «и увидел Метролог, что это хорошо». Физика считает скорость света постоянной, а метрология считает эталон секунды более стабильным, чем предшествующий эталон метра. Поэтому и перешла метрология на новый эталон метра. Вернувшись, как отмечают в некоторых книгах, к определению метра через секунду — имеется в виду древнее определение через период маятника.

Однако это еще не все. В новом определении метра через скорость света и секунду указано, что скорость света равна «чему-то там (точно).» Поскольку при старом (и вообще каком угодно) определении метра и секунды нет никаких причин, чтобы скорость света попала «точно» в какое-то значение, это похоже на школьную глупость — считать g = 10 м/с2. На самом деле, большого криминала тут нет, если стабильность измерений скорости света такова, что колебания не ограничивают точности. Но с точки зрения физика, выглядит странно.

Использование атомных эталонов затруднено несопоставимостью размера эталона и большинства измеряемых величин, требуется строить цепочки преобразователей. Возможно, что когда-то люди перейдут к использованию атомных макроскопических эталонов, то есть атомных эталонов практического масштаба. Это могут быть внешние орбиты возбужденных атомов при высоком уровне возбуждения или какое-либо длинноволновое излучение, например, знаменитое излучение межзвездного водорода 1420,40575 МГц (волна 21,1 см).

Есть, однако в этой эталонной проблеме более глубокая сторона — проблема постоянства фундаментальных констант. К ней мы обратимся ниже.

Эталоны для физики и техники

Эталон длины

Сначала эталоны были естественные, например, эталоном длины был, возможно, пояс короля Карла такого-то. Потом король слегка разъелся и экономика сошла с ума. Поэтому взяли длину маятника с определенным периодом (привязав тем самым эталон длины к эталону времени), потом длину меридиана — она, де, стабильна. Потом оказалось, что не стабильна, не одинакова, не точно измерена и вообще за эталоном по меридиану пойдешь — в Центральную Африку попадешь к тем, которые «еще не произошли» (© Т) и на вертел угодишь. Гораздо лучше в оплаченные предприятием командировки в Париж ездить. И эталоном стала платино-иридиевая палка с шестью насечками. Однако ездить хлопотно, и главное — это вам не в Куршевель с девочками, а с метровой несколькикилограммовой палкой в зубах. Намного приятнее иметь дело с естественным атомным эталоном, который, как праздник, всегда с тобой. Поэтому новым эталоном метра было объявлено сколько-то (именно 1650763,73) длин волн излучения, соответствующего переходу между какими-то (именно 2P10 и 5D5) уровнями какого-то атома (именно Kr). Почему такое число — понятно: новый эталон должен на данный момент совпадать с предыдущим, отсюда и дурацкое число, если бы это определение было исторически первым, стояло бы 1000000. Так чем же новый метр лучше старого? Во-первых, удобством передачи: мы знаем, что атомы криптона такого-то одинаковы и в Москве, и в Нью-Йорке, и в пгт Муходефекаторске. И если мы организуем разряд в парах этого, как его? — а, криптона, то и будет в его спектре то, что надо. Разумеется, при этом надо соблюсти множество условий, но здесь есть важное отличие от платино-иридиевой палки — принципиально важное для создания эталонов. Мы лучше знаем и понимаем, что и почему влияет на длину волны излучения, чем — что и почему влияет на расстояние между штрихами на палке. Следовательно, лучше можем обеспечить постоянство эталона.

Итак, мы видим эволюцию от естественного эталона к искусственному, а потом опять к естественному, так сказать естественному эталону второго поколения — «атомному эталону». Таков эволюционный путь и некоторых других эталонов, но важно не каков он именно, а что является движущей его силой. Это стремление к точности, точнее — стабильности и повторяемости и удобство передачи. Оговорка насчет точности принципиально важна, и вот почему.

Эталон времени

В природе полно периодических процессов, поэтому с естественным эталоном времени проблем не было, правда лично я взял бы не вращение Земли, а периодическое возникновение желания пожрать. Потому что вращается Земля или нет — мы видим только днем, а кушать хочется и ночью. Но взяли вращение, а потом выяснили, что вращается неравномерно, и перешли к атомному эталону — периоду излучения при определенном переходе в определенном атоме.

Эталон массы

Это — килограммовая гиря из платиноиридиевого сплава, определенной формы, хранящаяся под двойным колпаком и так далее. Гирь таких было изготовлено несколько, их раз в сколько-то лет свозят в Париж и так далее, см. выше рассуждение насчет того, что такое точность эталона. Естественен вопрос, почему не взять естественный эталон — атом. Вот уж у кого по всем современным воззрениям с постоянством массы дело обстоит хорошо. Ответ прост — потому что атом маленький, а отсчитать число Авогадро атомов — замучаешься. Степень у десяти такая большая, что даже фуллерен из урана не спас бы дела. Но перейти на естественный псевдоатомный эталон хочется. Поэтому ведутся работы по созданию эталона массы на основе эталона метра и атомных свойств (то есть в итоге это все-таки атомный эталон). А именно, предполагается, что это будет шар точно известного размера из моноизотопного кремния. Шар — чтобы избежать неопределенности, связанной с истинной геометрией ребер, кремний — поскольку для него разработаны технологии очистки. У кремния три стабильных изотопа, что затрудняет получение точных копий эталона, но зато для кремния разработаны методы очистки от примесей, а изотопно-чистый кремний представляет, как пишут, свой интерес для полупроводниковой техники и технология его изготовления существует.

Эталон количества вещества

Это моль, который в общем-то дублирует эталон массы, но сохраняется как понятие для удобства в основном химических вычислений. Отдельного эталона моля не существует. По определению, это такое количество вещества, которое содержит столько молекул, сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту — число Авогадро. Метрологи при упоминании моля морщатся и скорее всего еще при нас он будет исключен из списка основных единиц.

Эталон температуры

В физике есть несколько разных «температур», высокая метрология знает одну — термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии — Джоулях, или, того страшнее, в электронВольтах:) Она же входит в универсальный газовый закон. Поскольку для температуры нет естественного эталона, шкала температур условна и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина (наука), Цельсия (быт, Европа), Фаренгейта (быт, Америка). В некоторых регионах используется более простая шкала температур с тремя температурами — холодно, терпимо, жарко. На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка — тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы деление шкалы (Кельвин) совпадал с делением шкалы Цельсия (градус Цельсия), для упрощения пересчета. Другие реперные точки — точки фазовых переходов чистых веществ, интерполяция между точками делается термометрами сопротивления и газовым термометром.

Эталон тока

Исторически эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось — особо стабильным гальваническим элементом («нормальный элемент»).

Позже ампер определили через взаимодействие токов и эталоном стали токовые весы, в которых измеряется сила притяжения между двумя катушками с «эталонируемым» током, а эталоном напряжения стал нормальный элемент.

Ну а потом, как и следовало ожидать (скажем мы теперь, растопырив пальцы) произошел переход к квантовым стандартам. А именно, было показано, что при увеличении тока, протекающего через переход сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник, облучаемый СВЧ с некоторой частотой, напряжение на переходе увеличивается скачками величиной, зависящей от этой частоты, постоянной Планка и заряда электрона (эффект Джозефсона). Поскольку частота измеряется с высокой точностью, возникла возможность построения квантового эталона напряжения.