Жизнь без килограмма: как изменится система единиц СИ?

Жизнь без килограмма: как изменится система единиц СИ?
16 ноября 2018, 17:00НаукаФото: pixabay.com
Международное бюро мер и весов планирует избавиться от килограмма, ампера, кельвина и моля.

Международное бюро мер и весов объявило о необходимости пересмотра Международной системы единиц. По мнению учёных, килограммы уже морально устарели и в буквальном смысле утратили свой вес. Системой СИ (SI) пользовался каждый на школьных уроках физики и химии: с переведения всех характеристик в общепринятые единицы измерения начинается решение любой задачи. Теперь от ампера, килограмма, кельвина и моля придётся отказаться. В случае положительного решения руководства международной организации изменения вступят в силу с мая 2019 года.

Разжалованные эталоны современности

Как оказалось, в прошлое уходят не только эталоны красоты, но и единицы массы. Например, килограмм – это не что иное, как «единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». То есть никакой привязки к чему-то точному у этой единицы нет: «идеальный» килограмм создали люди, положили в специальную колбу и хранят с 1901 года в Международном бюро мер и весов. Состоит килограммовый цилиндр из платино-иридиевого сплава, а по размеру близок к мячу для гольфа. Проблема такого эталона в том, что он состоит из большого количества вещества, да ещё и неоднородного.

Со временем любые материалы могут существенно терять в весе или же, наоборот, прибавлять его: элементы могут отдавать или же притягивать посторонние атомы, постепенно примешивая их к своему составу. Вот и получается, что за сто с лишним лет эталон стал не таким уж непоколебимым – на сегодняшний день разница с изначальным цилиндром составляет около 60 микрограмм. Для точных измерений (а граммы и миллиграммы считаются как часть того самого идеального килограмма) цифра огромная.

Примерно так же дела обстоят с кельвинами. По ГОСТу 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Что это такое, понимают только учёные, а простому обывателю достаточно просто знать, что химически чистой воды практически не существует. При этом если изотопный состав не соответствует эталону, то и значение кельвина будет меняться. Идеальная Н2O с чистым молекулярным составом без примесей может быть получена только в лабораторных условиях и не самым простым способом.

Силу ампера можно вообще в какой-то мере назвать «силой разума», так как её определение не предусматривает никакой проверки на практике. Один ампер определяется через мысленный эксперимент с двумя бесконечно длинными проводниками с ничтожно малым сечением. Причём располагаться эта невозможная конструкция должна в абсолютном вакууме на расстоянии 1 м друг от друга. Естественно, выполнить данные условия нельзя никак, а значит, и ампер – штука очень уж относительная и непонятная, если речь идёт о сверхточных измерениях.

Моль учёные тоже подвергли критике, причём не за порчу новой шубы в шкафу. У этой единицы измерения вещества проблем сразу несколько. 1 моль – это то количество вещества, которое содержит столько же частиц, сколько содержится атомов углерода в 12 граммах. То есть снова привязка к уже неидеальному килограмму.

Критикуешь – предлагай, предлагаешь – делай!

Учёные не просто раскритиковали устаревшие эталоны, но и предложили пути решения проблемы. Уйти от столь зависимой от внешних факторов системы поможет смена ориентиров. На смену килограмму может прийти специальная формула расчёта, она избавит от погрешности и привязки к созданному человеком неидеальному артефакту, который за столетие немного «похудел». Для расчёта массы тела теперь предлагается использовать постоянную Планка. Если объяснять, не вдаваясь в формулы и сложные термины, то вес будет высчитываться при помощи электроэнергии, которую необходимо затратить, чтобы уравнять чаши весов.

Кельвин останется, но его свяжут не с изотопами воды, а со значением постоянной Больцмана. Таким образом, значение кельвина впервые будет точно зафиксировано. Измерять точную температуру можно с помощью измерения скорости звука в сфере, заполненной газом. Скорость звука пропорциональна скорости перемещения атомов.

Для точного определения ампера потребуется одноэлектронный насос. Появился он совсем недавно и уже успел облегчить жизнь многим учёным. Насос позволяет перемещать определённое количество электронов за один цикл, все цифры возможно фиксировать.

А вот для измерения моля создадут новый эталон. Поскольку моль высчитывается через число Авогадро, то необходимо просто точно определить эту цифру. Учёные предлагают создать сферу из чистого кремния-28, который имеет идеальную кристаллическую решётку, что позволяет точно замерить диаметр этой сферы. В отличие от платино-иридиевого сплава, скорость потери атомов кремния-28 точно предсказуема, так что специалисты смогут узнать, на сколько «похудел» их эталон за какой-то промежуток времени, и внести необходимые коррективы в измерения.

К чему всё это?

Новые эталоны помогут проводить более точные измерения и вычисления, ведь погрешность станет минимальной. Полностью избежать погрешности не получится, но точность однозначно повысится на несколько порядков. Новая система измерений станет более устойчивой и независимой, а значит, позволит развивать технологии на новом уровне. Измерение без погрешностей в теории позволит увеличить количество и качество передаваемой информации. Снизит это и потери при передаче электрического тока на большие расстояния.

Будут ли развешивать свинину и сахар атомами?

На повседневную жизнь людей новая система СИ никак не повлияет: привычные всем килограммы будут всё так же в ходу, и при покупке развесных конфет не придётся считать молярную массу или количество затраченной на них электроэнергии. Изменения коснутся только научной сферы, расчётов и, возможно, школьных учебных программ (соответствующие учебники переживут переиздание с новыми единицами измерения). Но учёным это только упростит жизнь и избавит от высчитывания погрешностей и определённого риска при проектировании и моделировании новых устройств.

Нашли опечатку в тексте? Выделите её и нажмите ctrl+enter