Одиниці виміру після Великого вибуху Ле-Девуар
Поліна Гравій
Рік тому, 16 листопада 2018 року, Міжнародне бюро мір та ваг прийняло нове визначення кілограма, ампера, кельвіна та родимки. Згідно з цим переглядом Міжнародної системи одиниць виміру (СІ), який набув чинності 20 травня, усі одиниці виміру тепер базуються на числових значеннях фізичних констант, а не на основі артефактів.
Для звичайних людей прийняття нових визначень кілограма (кг) та ампера (А) зокрема нічого не змінило у їх повсякденному житті. Ваги м’ясника, авіакомпанії, які перевіряють вагу багажу, та ваги пошти, які зважують наші листи, залишились такими ж. Hydro-Quebec не потрібно було інтегрувати корекцію у свої лічильники електроенергії, оскільки вона була занадто мінімальною. Швидше, саме в дослідницьких лабораторіях, де часто потрібні ретельні та точні вимірювання до нанограми, ця революція матиме наслідки.
Це справді справжня революція, тому що до 20 травня 2019 року світовим показником кілограма був платиновий (90%) та іридієвий (10%) циліндр зі сплаву висотою 39 міліметрів та діаметром, який зберігався з 1889 року під трьома скляними дзвонами в сейф у Міжнародному бюро мір і ваг, розташованому в Севрі, недалеко від Парижа, в той час як зараз він визначається з константи Планка, величини, що відіграє центральну роль у квантовій фізиці.
Великий К, як прозвали цей стандарт на кіло-іридієву платину, вилучався із закритого сховища лише чотири рази з 1889 р. Для того, щоб відкалібрувати шість вторинних копій - зроблених одночасно з великими К - які в свою чергу використовується як еталон для калібрування десятків третинних, а потім четвертинних копій, що використовуються для коригування балансів у всьому світі. Однак під час кожної з цих калібрувальних кампаній з великим К було зазначено, що маса останнього дещо коливалась, близько одного мікрограма на рік, іноді більше, іноді менше, і це, навіть якщо це завжди було утримується в контрольованій атмосфері. Незначні втрати матеріалу пояснюються тим, що трохи платини, яка каталізує багато хімічних реакцій, від'єднується від циліндра для участі в цих реакціях. Збільшення ваги відбулося через забруднення, ймовірно, ртуттю в атмосфері, яка мимовільно прикріпилася до поверхні платини.
З цієї причини вчені все більше стурбовані довгостроковою стабільністю цього міжнародного прототипу. Коливання його маси робили його все менш і менш задовільним у науці та дослідженнях, які вимагають високого рівня точності. "Він більше не міг залишатися посиланням, оскільки існували певні сумніви щодо його стабільності, і посилатися на нього було не дуже практично, оскільки він був не надто доступним. Нам довелося регулярно відправляти наш K74 - еталонний кілограм Канади - до Парижа, щоб його можна було порівняти з іншими шістьма свідками », - зауважує Ізабель Амен, директор відділу метрології Департаменту національної дослідницької ради Канади (NRC ), перш ніж згадати, що визначення лічильника вже було переглянуто з тих самих причин.
Лічильник і другий
З кінця XIX століття справді робиться посилання на матеріальний стандарт лічильника, який також зберігається в Севрі. Потім, коли в 1983 році ми виміряли швидкість світла у вакуумі з максимально можливою точністю, ми консенсусом зафіксували числове значення цієї константи (зване с) у 299 792 458 метрів/секунду, що дозволило потім визначити лічильник як відстань, пройдена світлом у вакуумі за 1/299,792,458 секунди.
Числове значення другого було визначено в 1967 році з "частоти надтонкого переходу не порушеного атома цезію 133". Іншими словами, друга визначається з частоти хвилі, тобто частоти фотона, який випромінює атом цезію 133, коли один з його електронів змінює рівень енергії, пояснює Гіслейн Грейнджер, науковий співробітник NRC Metrology Research Центр. Оскільки ця частота дорівнює 9 192 631 770 коливань на секунду (або герц), отже, одна секунда відповідає тривалості 9 192 631 770 коливань або періодів випромінюваної хвилі.
Константа Планка
Щоб прийти до визначення кілограма, який є більш стабільним і доступним в усьому світі, ми вирішили базуватись на фундаментальній константі квантової фізики, в даному випадку константі Планка (h), яка дозволяє перетворити частоту (f) фотона в енергії (E) за формулою E = hf. Однак, як вказує відоме рівняння Альберта Ейнштейна E = mc 2, енергія пов'язана з масою. Останнє, отже, можна визначити за m = E/c 2 = hf/c 2. Однак, оскільки ми вже знаємо числове значення швидкості світла (c), а також частоти фотона, що випромінюється під час надтонкого переходу атома цезію-133, залишалося визначити з великою точністю, що і для Планка постійний.
Дослідники з усього світу витратили більше десятиліття, намагаючись виміряти константу Планка з максимально можливою точністю. Генеральна конференція з ваг і мір, міжнародний орган, відповідальний за прийняття рішень з питань метрології щодо СІ, «вирішив, що з того моменту, коли можна буде отримати, принаймні двома різними методами, вимірювання константи Планка з дуже невелика невизначеність, яка не призведе до занадто великих змін на рівні кілограма, ми можемо перейти до зміни визначення кілограма. Наукове співтовариство мало надати свої результати до 1 липня 2017 року », - уточнює пані Амен.
Найточніше вимірювання у світі
«Ми в NRC забезпечили найточніші вимірювання постійної планка у світі! Ми отримали найменшу невизначеність серед різних передових лабораторій у світі, і це, проводячи дуже точні експерименти з балансом Кіббла, також відомим як ватний баланс ", - каже пані Амен.
На одну з двох пластин цієї ваги ми поклали металевий циліндр в один кілограм, і для врівноваження сили тяжіння (ваги) цієї маси ми створили еквівалентну силу, пославши електричний струм в котушці, підданій дії магнітного поле. Другим кроком було переміщення котушки з певною швидкістю в магнітному полі, яке індукувало електричну напругу (напругу) на котушці, яку вимірювали. Значення струму, напруги та швидкості котушки, які зараз відомі, тоді можна було визначити масу. Але саме вимірювання струму та напруги за допомогою квантового ефекту дозволило повернутися до сталої Планка.
Таким чином, дослідникам NRC вдалося отримати числове значення 6,62607015 x 10 -34 джоулів * секунди з точністю до 8-го десяткового коми, яке використовувалося для встановлення значення константи Планка. Це "точність 9,1 частин на мільярд, що еквівалентно визначенню кількості волосків на голові 1100 людей до найближчого волосся". Для досягнення такої точності вченим довелося взяти до уваги гравітаційні зміни, викликані рухом Місяця, кількість води в землі в результаті танення снігу та захист від вібрацій, спричинених невеликими землетрусами.
Іншим методом, який дозволив досягти точності, що наближається до тієї, що отримана за допомогою балансу Кіббл NRC, є метод рентгенівської об'ємності та інтерферометрії, який полягав у вимірюванні об'єму сфери кремнію 28 та визначенні кількості атомів, які він містить за допомогою рентгенівських променів, які вимірюють відстань між атомами.
"Дуже точно вимірявши константу Планка, ми змогли отримати більш точне значення елементарного заряду протона, який використовувався для перевизначення ампера", - додає Грейнджер.
Щоб перевизначити кельвін, ми зафіксували числове значення константи Больцмана, а для молі вказали значення числа Авогадро. "Зараз всі базові одиниці залежать від фізичної константи природи, чисельне значення якої було зафіксовано", - резюмує пані Амен.
На щастя, ці перевизначення зберігають безперервність вимірювань, а це означає, що пересічна людина не побачить жодних змін у своєму повсякденному житті.
«Зміни в ІС не впливають на повсякденні операції Hydro-Quebec, оскільки їм не потрібні такі незначні рівні невизначеності. Однак метрологічна лабораторія Hydro-Québec внесла зміни, необхідні заради професійного сумління. Наприклад, числові значення напруг були скориговані на 0,11 частин на мільйон (ppm), навіть якщо діапазон їх акредитації становить 0,5 ppm ", уточнює Сильвен Берубе з Науково-дослідного інституту Гідро-Квебек.
З іншого боку, під час досліджень ці перегляди можуть призвести до нових відкриттів. «Коли нашим еталоном був кілограм, невизначеність зростала, коли ми проводили все менші виміри. Оскільки сьогодні проводиться все більше вимірювань порядку нанограми (10 -12 кг), зрозуміло, що невизначеність стає значною. Тепер, коли посилання більше не базується на кілограмі, а скоріше на константі фізики, це дозволить вимірювати більшу точність як у нескінченно малому, так і в нескінченно великому, і раптом це дозволить досягти наукового прогресу ", пояснює пані Амінь.
Ці перевизначення також матимуть наслідки для підручників, які доведеться перевидати, щоб виправити значення констант, таких як значення Планка. !