Як буде перевизначено кілограм - Couleur-Science
історія науки метрологія неділя, 28 жовтня 2018 року, автор Тимо ван Нірден
Ця стаття є частиною серії статей з нагоди 26-ї CGPM (у 2018 році), з нагоди яких кілограм буде переглянуто в історичному ключі:
- Як буде визначено кілограм (ця стаття)
- Навіщо перевизначати кілограм? ?
На сьогоднішній день серед 7 основних одиниць, що існують, кілограм є єдиним, заснованим на матеріальному об'єкті: металевому еталоні (сплаві платини та іридію), що зберігається поблизу Парижа, і який служить еталоном для кілограма протягом світ.
Минуло більше століття, коли цей предмет представляє кілограм, і не без проблем, пов'язаних з часом: знос, унікальність та те, що він зберігається у Франції, а не деінде, становлять проблеми порядку технічного, практичного та політичного.
Дж. К. Максвелл (1831 - 1879, фізик, відомий, серед іншого, рівняннями Максвелла в електромагнетизмі) напише:
Як і лічильник, який визначається вже не зі шматка металу, а зі швидкості світла, метрологи вже давно шукають, як перевизначити кілограм, щоб не довелося залежати від предмета, фізичного настільки крихкого. І, схоже, ми знайшли !
Якщо все піде добре, 2018 рік (з 13 по 16 листопада, як правило) ознаменується роком, коли кілограм нарешті стане одиницею, що залежить лише від внутрішньої фізичної константи природи.
Я б зробив більш детальну статтю про необхідність такого перевизначення, а також загальний метод, що використовується для визначення одиниці виміру, але давайте подивимось тут вибраний метод. Ви побачите, вона розумна та винахідлива, але також дуже технічна ...
Нове визначення кілограма
Ми використаємо кілограм "К" для вимірювання константи Планка (константи, що використовується в квантовій фізиці), фіксуємо значення останньої, потім визначаємо кілограм відповідно до константи Планка, яку ми щойно встановили.
Це може здатися схожим на змію, яка вмирає з хвостом, але це не так. Насправді це швидше зміна посилань.
Замість того, щоб мати відомий кілограм, з якого ми визначаємо константу Планка, ми спробуємо зафіксувати константу на значенні, яке, таким чином, залишатиметься незмінним, і з якого ми визначимо те, що ми позначаємо як "кілограм".
Таким чином, стандартний кілограм платини нам більше не приносить користі.
Якщо ми хочемо знайти масу в кілограмі, просто візьміть константу Планка і баланс Кіббла і виміряйте масу кілограма.
Що стосується константи Планка ... Тепер це посилання: нам більше не потрібно її вимірювати, саме воно є посиланням.
І оскільки константа Планка є фундаментальною константою природи, вона не зміниться: вона не може зношуватися, погіршуватися чи втрачатися.
Нижче, операція Баланс Кіббла.
Баланс Кібла (або Ватт)
Баланс Кіблі (або колишній баланс Ватта), як і всі ваги, дозволяє порівняти дві сили. Для звичайних ваг дві сили є двома вагами:
- вага предмета, який ви намагаєтеся зважити;
- вага позначених мас, маса яких відома.
Коли баланс знаходиться в рівновазі, тоді об’єкт, маса якого ми шукаємо, має таку ж масу, як і сума позначених мас.
За допомогою балансу Кіббла завжди вимірюються дві сили, але сила позначених мас замінюється магнітною силою електромагніту. Коли ви розміщуєте невідому масу на шкалі, шкала нахиляється вбік. Потім через електромагніт пропускається електричний струм: індуковане магнітне поле потім тягне баланс у бік електромагніту. Змінюючи інтенсивність струму до отримання стану рівноваги, ми можемо знайти масу об'єкта, який ми шукаємо, як функцію інтенсивності струму, завдяки електромагнітній індукції:
Щоб перевизначити кілограм, ми працюємо навпаки: ми помістимо стандартний кілограм на шкалу і будемо шукати інтенсивність, яка врівноважує вагу. Тоді ми дізнаємось, яка інтенсивність дозволяє отримати кілограм сили на шкалі.
Математично, коли шкала знаходиться в рівновазі, існує рівність між вагою $ P = mg $ і магнітною силою котушки $ F = BLI $:
Тобто виражена маса кілограма:
Це спрощена версія, а на практиці вона складніша.
Сила електромагніту залежить від кількох факторів: сили струму, звичайно, але також загальної довжини дроту в котушці та сили магнітного поля постійного магніту. Вимірювання цих двох останніх величин затьмарено невизначеностями, але ми можемо усунути необхідність їх вимірювання, використовуючи другий крок.
Другий крок - опустити електромагніт із відомою швидкістю над магнітом. Магніт буде індукувати струм в котушці, і ми вимірюватимемо електричну напругу на його клемах.
Вираз напруги $ U $ залежить від швидкості спаду $ v $, магнітного поля $ B $ і довжини котушки $ L $:
Поєднуючи це рівняння з попереднім, отримуємо вираз для маси, незалежної від магніту та довжини котушки:
Залишається виміряти струм $ I $ і напругу $ U $: надточним методом є використання компонентів з квантовою поведінкою.
Напруга $ U $ може бути визначена за допомогою Джозефсонівського переходу. Вони є двома надпровідними матеріалами, розділеними дуже тонкими ізоляторами. Цей перехід бачить, що напруга $ U '$ з'являється при впливі електромагнітного поля:
- $ h $ - постійна Планка
- $ n $ - кількість складених переходів Джозефсона (таким чином, поставлених послідовно)
- $ f $ частота електромагнітного поля
- $ e $ - елементарний заряд.
Регулюючи частоту, ми можемо вирівняти напругу на клемах спалів з напругою, індукованою магнітом на котушці. Тоді маємо $ U '= U $.
Інтенсивність $ I $ можна виміряти за простим законом Ома. Отже, замість вимірювання поточного $ I $, ми виміряємо напругу та опір: $ I = \ frac$.
Напруга $ U $ знову вимірюється ефектом Джозефсона. Що стосується опору $ R $, то він визначається квантовим ефектом Холла (квантовий варіант ефекту Холла, який є появою напруги, перпендикулярної напрямку течії струму в провіднику, через реакцію електричні заряди цього провідника до магнітного поля, індукованого цим струмом):
- $ p $ - відома константа в залежності від залишку
- $ h $ Постійна Планка
- $ e $ - елементарний заряд
Беручи ці різні рівняння, замінюючи різні послідовні змінні та переставляючи різні терміни, ми отримуємо вираз константи Планка як функції стандартного кілограма:
$ p $, $ n $, $ f $ відомі.
$ g $, $ v $ вимірюються (за допомогою лазерної інтерферометрії).
Маса $ m_k $ за визначенням становить 1 кг. Тому ми щойно визначили константу Планка зі стандартного кілограма.
Тепер ми фіксуємо константу Планка (це значення потім стає її кінцевим значенням) і можемо виразити кілограм як функцію константи Планка:
Отже, ми тут: ми можемо виразити кілограм на шкалі як функцію від фізичних констант і декількох вимірювальних приладів, які не залежать від маси (оскільки це те, що ми шукаємо) !
Відтепер норматив кілограма більше не потрібний. Якщо ви хочете знати, скільки важить предмет, ви кладете його на вагу, проводите вимірювання, і саме величина константи Планка використовується в розрахунках для визначення маси. Саме константа Планка стає еталоном і дозволяє розрахувати будь-яку масу.
Нове визначення кілограма
До цього кілограм визначався як значення маси міжнародного прототипу кілограма, що зберігається в Парижі. Запропоноване нове визначення, яке повинно прийняти CGPM:
Що, треба визнати, є більш математичним, ніж літературне визначення. Більше того, офіційні визначення всіх одиниць змінюються за однаковою схемою, підкреслюючи, що одиниця залежить від фізичної константи.
Все, що нам ще потрібно зробити, якщо ми хочемо відкалібрувати масу, - це використати вагу Кібл, провести її вимірювання і взяти значення 6,626 06 × 10⁻³⁻ для константи Планка. Що швидше сказано, ніж зроблено ...
Деякі межі цього нового підходу
Від цієї статті можна очікувати: скільки платинового стандарту - це простий об’єкт, стільки баланс Кіблі - це дуже складний об'єкт.
Вам потрібні найсучасніші компоненти, знаходитесь в регіоні без зовнішнього впливу (радіо, магнітні та навіть землетруси!) І вам навіть доведеться зайти так далеко, щоб нанести на карту прискорення гравітації приміщення, де знаходиться пристрій баланс.
Більше того, настільки, що лише деякі країни мають технологію їх виробництва та експлуатації. З політичної та соціальної точки зору це також може спричинити проблеми.
На технічному рівні існує складність роботи з таким протоколом вимірювань: точність вимірювань така, що дві маси, які можна вважати однаковими, але виготовленими з різних металів, будуть бачити по-різному на вазі! Дійсно, менш щільний метал займе більший об'єм, а його центр мас буде трохи вище. Це передбачає різницю у величині гравітаційного поля (те, що я виділяю у своїй статті про кіло пір’я та кілограм свинцю).
15 коментарів
Ця стаття була написана за моїм запрошенням (разом із невеликою групою інших блогерів, подкастерів) з Музею мистецтв та мистецтв. Музей відкрив тимчасову виставку з вимірювань та метрології, щоб відзначити історичне перевизначення кілограма.: "На замовлення 7 одиниць світу". Я мав змогу відвідати екскурсію виставкою, представлену куратором виставки (М. Якомі) та науковим керівником LNE, національної лабораторії метрології та випробувань (мадам Шамбон).
Тому природно, що я запрошую вас відвідати цю виставку: ви, серед іншого, відкриєте історію вимірювань у віках та світі, чому ми використовуємо 7 одиниць, як ми їх визначаємо та `` важливість стандартизації одиниць на у міжнародному масштабі через анекдоти та історичні приклади.
Зроблено за міркою 7 одиниць світу
з 16 жовтня 2018 року по 5 травня 2019 року до Музей декоративно-прикладного мистецтва
60, rue Réaumur - Париж 3-й
Години роботи: з вівторка по неділю з 10:00 до 18:00, ввечері в четвер до 21:30.
Виставка французькою та англійською мовами
Дуже цікава стаття, дякую !
Я б сказав більше обсягу, ні ?
@ Ле-Грітч: дуже справедливо, дякую !
Дякую за цю дуже цікаву статтю (занадто технічну, але тим не менше).
Я хотів би отримати одне пояснення: чому ви дотримали кілограмграм як одиниця, а не грам ?
@Pouf: це мав бути грам, у 1791 році.
За винятком того, що пізніше було вирішено, що еталонна одиниця дорівнює масі літра води при 4 градусах, а не мілілітру (1 г води).
Це також має мати одиницю виміру, близьку за величиною до одиниці фунта, що використовується деінде (про що я також маю статтю).
Крім того, першим еталоном маси був кілограм: "архівний кілограм".
Тож вони зберегли кількість кілограма і не змінили назви.
Я міг би подумати, що навіть якби довелося перевизначити одиницю, щоб дотримуватися інших стандартів, вони могли б піти на грам ...
@Pouf: Я визнаю, це було б логічно, навіть якщо не було практичним у короткостроковій перспективі.
Ну, це деталь історії, яка змусить майбутні покоління сказати "але вони були абсолютно божевільними!" ":). Думка про це мене певним чином розважає.
Я думаю, що в якийсь момент у віддаленому майбутньому (якщо ми виживемо до того часу) ми перейдемо до природних одиниць: https://couleur-science.eu/?d=f97dfa--les-avantages-dun-systeme -dunites -природний
Дуже вичерпна стаття 👏👏👏.
Питання: чому б не спростити і не взяти за посилання кількість молекул H2O в 1 дм3 води при 4 ° С?
@Adnx: З технічної точки зору, це питання точності вимірювань.
За допомогою методу балансу Кіббла можна досягти набагато більшої точності, ніж підрахунок кількості молекул води.
Невизначеність щодо молекул води пов'язана з обома:
- при 1 дм3: існує невизначеність щодо довжини дециметра. Отже, на dm3 ця невизначеність також кубічна.
- температура: у вас також є невизначеність щодо температури (тим більше, що вода має максимальну щільність 3,98 ° C, а не 4 ° C;)).
- до складу води: одна з 6400 молекул води має один надлишок нейтрона на водню: це ізотоп водню, дейтерій, що міститься в молекулі. Мова йде про важку воду.
- і тоді ми повинні взяти до уваги тягу Архімеда за об’ємом води в повітрі (повітря - це рідина), оскільки ми не можемо працювати у вакуумі: вода кипить у вакуумі навіть при 4 ° С. Щось, що залежить від атмосферного тиску тощо.
При всьому цьому невизначеність методу на водній основі більша, ніж при балансі Кіблі (це один із критеріїв прийнятності нового методу: новий повинен бути більш точним).
Я не маю на увазі значень, але ми говоримо про точність порядку 1 на 1 000 000 000, отже, точність порядку мікрограма для кілограма (тоді як для методу, заснованого на 1 дм води ми, наприклад, мали б порядок міліграмів; а метод, заснований на платиновому еталоні, ми точно визначаємо зі швидкістю близько п'ятдесяти мікрограмів).
З історичної точки зору ... кілограм вже є показником маси літра (або 1 дм³) води.
Метр - це така довжина, оскільки вона спочатку становить частку периметра Землі. Що стосується одиниці маси, вони вагалися (на момент французької революції - так, саме французи ініціювали метричну систему ^^) між масою кубічного метра води, дм³ води та одним см³ води води.
Вони взяли куб.см води, як масу, що відповідає 1 граму.
Потім вони побудували масовий стандарт ... за винятком того, що останній (можливо, з практичних міркувань) становив 1000 грамів. Потім цей "кілограм" залишився, і нарешті кілограм став одиницею.
Все це говорить про те, що в основі кілограм і лічильник пов’язані (через воду). Ми можемо стверджувати, що повернення до такої ситуації означало б повернення назад.
Але справжня причина в тому, що вона менш точна.