Эталон мер и весов во франции

Эталон метра в Париже

В конце XIX века в Европе и во всем мире начался переход на метрическую систему измерения. Об этом важном для всех стран событии напоминает сохранившийся эталон метра в Париже в виде мраморной доски, установленной на историческом здании на улице Вожирар №38, недалеко от Люксембургского сада.

Долгое время в Европе не было общей меры длины — в каждой стране, регионе и даже в городе могли использоваться свои собственные единицы измерения.

Даже принятые в одной стране единицы измерения были неточными. Вспомним, что английский дюйм когда-то был равен ширине большого пальца человека, фут измерялся по средней длине ступни человека, а ярд был равен длине пояса мужчины. Но у разных людей эти параметры могли значительно отличаться.

С развитием торговли и промышленности, расширением связей между городами и странами различные единицы измерения стали неудобными, тогда и возникла идея создания единой для всех системы мер.

Ученые предложили создать меру длины, которая бы основывалась на естественном явлении, общем для всех стран и людей. Первым эту мысль высказал нидерландский математик и физик Ван Свинден, он считал основу системы мер необходимо было найти «в недрах самой природы».

Для воплощения этой идеи в жизнь была создана комиссия при Французской академии наук. Ее члены под руководством математика Жана-Шарла де Борда после тщательного изучения всех предложений за единицу длины решили принять одну десятимиллионную четверть Парижского меридиана.

Закон о введении новой системы начал действовать во Франции с 7 апреля 1795 года.

«На все времена, для всех народов» — был девиз новой метрической системы. Народ не сразу принял её, но когда парижские модные журналы стали приводить размеры выкроек в метрической системе, осуществление реформы стало проходить значительно быстрее.

Для того, чтобы жители Парижа могли ознакомиться с новым измерением расстояния и запомнить его, на улице Вожирар (Vaugirard 38), и был установлен эталон метра.

А всего в феврале 1796 — декабре 1797 года было установлено 16 таких эталонов метра в наиболее посещаемых местах Парижа, об этом рассказывается в надписи на мраморной доске. К настоящему времени эталон на улице Вожирар — один из двух оставшихся в Париже и единственный, который расположен на своём первоначальном месте.

Позже к метрической системе мер присоединились и другие страны и сегодня она официально принята во всех государствах мира, кроме США, Либерии и Бирмы.

Эталон метра, изготовленный в 1889 году из сплава платины (90%) и иридия (10%), хранится в штаб квартире Международного бюро мер и весов в городе Севр близ Парижа.

С 1983 года за эталон метра принята длина пути, проходимого светом в вакууме за время равное 1/299 792 458 секунды. Это определение не изменяет длину метра, но является более точным.

Источник

Международная палата мер и весов

Метрическая конвенция — международный договор, служащий для обеспечения единства метрологических стандартов в разных странах. Договор был подписан в 1875 г. в Париже 17-ю странами, в том числе Россией. В 1921 г. в договор были внесены небольшие изменения. В настоящее время к конвенции присоединилось 51 государство, в том числе все промышленно развитые страны. В соответствии с метрической конвенцией учреждены Международное бюро мер и весов и Международный комитет мер и весов, и созываются Генеральные конференции по мерам и весам. Эти международные организации призваны решать вопросы стандартизации в области метрологии.

Содержание

Международное бюро мер и весов

Международное бюро мер и весов — постоянно действующая организация со штаб-квартирой, расположенной недалеко от Парижа (Франция). Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах метрической конвенции. Для этого осуществляется сравнение национальных эталонов единиц измерения и проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений. Бюро финансируется странами-участницами метрической конвенции.

Международный комитет мер и весов

Международный комитет мер и весов состоит из 18 человек, каждый из которых представляет одну страну-участницу. Комитет собирается ежегодно в штаб-квартире Международного бюро мер и весов. Комитет наблюдает за работой Международного бюро мер и весов, координирует метрологические исследования в странах-участницах и вырабатывает рекомендации для Генеральных конференций по мерам и весам.

Генеральные конференции по мерам и весам

Генеральные конференции по мерам и весам созываются раз в четыре года. В них участвуют представители всех стран-участниц метрической конвенции и наблюдатели от ассоциированных членов.

Конференция заслушивает доклад Международного комитета мер и весов, принимает решения направленные на улучшение и распространение международной системы единиц (СИ), утверждает бюджет Международного бюро мер и весов на следующие четыре года.

Список стран-участниц

Ассоциированные страны

См. также

Ссылки

Смотреть что такое «Международная палата мер и весов» в других словарях:

Международное бюро мер и весов — Логотип Международного бюро мер и весов Международное бюро мер и весов, МБМВ (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIPM) постоянно действующая международная организация со штаб квартирой, расположенной в городе Севр… … Википедия

Палата — Палата старорусское слово, для обозначения дома или дворца. Происходит из латыни[1], родственное украинскому палац, французскому палас (palace) или пале (palais), английскому пэлэс (palace). Во времена Русского царства, словом палата стали… … Википедия

палата — сущ., ж., употр. сравн. часто Морфология: (нет) чего? палаты, чему? палате, (вижу) что? палату, чем? палатой, о чём? о палате; мн. что? палаты, (нет) чего? палат, чему? палатам, (вижу) что? палаты, чем? палатами, о чём? о палатах 1. Палатой… … Толковый словарь Дмитриева

Децибелл — Децибел десятая часть бела, безразмерной единицы для измерения отношения некоторых величин (например, энергетических мощности и энергии или силовых напряжения и силы тока) по логарифмической шкале. Другими словами, децибел это некая… … Википедия

Метрическая конвенция — Зал Часов, где была подписана Метрическая конвенция Метрическая конвенция международный договор, служащий для обеспечения единства метрологических … Википедия

СССР. Научные учреждения — Научные учреждения до 1917 Советский Союз страна давних научных традиций. Деятельность многих центров знаний, первые из которых возникли на территории СССР ещё в средние века, вошла в историю мировой культуры. Среди них… … Большая советская энциклопедия

МЕТРОЛОГИЯ — МЕТРОЛОГИЯ, наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Рождением метрологии можно считать установление в конце 18 в. эталона длины метра и принятие метрической системы мер. В 1875 подписана международная Метрическая … Современная энциклопедия

Метрология — МЕТРОЛОГИЯ, наука об измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности. Рождением метрологии можно считать установление в конце 18 в. эталона длины метра и принятие метрической системы мер. В 1875 подписана международная Метрическая … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Франция — (France) Французская Республика, физико географическая характеристика Франции, история Французской республики Символика Франции, государственно политическое устройство Франции, вооружённые силы и полиция Франции, деятельность Франции в НАТО,… … Энциклопедия инвестора

Германия — I союз государств или союзное государство [Мы не останавливаемся решительно ни на одном из этих терминов (Staatenbund. Bundesstaat), потому что Герм. империя, как будет объяснено ниже не подходит вполне ни под тот, ни под другой] в средней Европе … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Источник

Палата меры и весов

Описания парижской палаты мер и весов, хранилища эталонов, склада образцов, собрания канонов. Характеристика метрической системы мер, единиц измерения массы, длины, объема жидких и сыпучих тел. Исследование деятельности международного бюро мер и весов.

Палата меры и весов

Главная палата мер и весов, учреждена в 1893 году в Санкт-Петербурге по инициативе Д. И. Менделеева, учёного-хранителя Депо образцовых мер и весов, которое и было преобразовано в Главную палату.

Главная палата мер и весов являлась центральным учреждением Министерства финансов, заведовавшим поверочной частью в Российской империи и подчиненным отделу торговли.

Положению о мерах и весах 1899 задачей Палаты являлось «сохранение единообразия, верности и взаимного соответствия мер и весов»; по закону 1901 на нее было возложено заведование местными поверочными палатками, временными их отделениями, распределение по тем и другим состоявших при Палате поверителей, командирование их и др., а также решение различных вопросов по метрологии и ведение отчетности по поступлению в казну сборов за клеймение мер и весов. В самой Палате устройство поверочного дела было доведено до возможного научно-технического совершенства.

Сегодня ВНИИМ является одним из крупнейших мировых центров научной и практической метрологии, головной организацией страны по фундаментальным исследованиям в метрологии и главным центром государственных эталонов России.

Подчинен Федеральному агентству по техническому регулированию и метрологии.

В июле 1994 года Постановлением Правительства РФ ВНИИМ присвоен статус Государственного научного центра РФ. Как Государственный научный центр РФ ВНИИМ подчинен Министерству образования и науки России и входит в Ассоциацию государственных научных центров.

Учреждено в 1875 г., вместе с подписанием Метрической конвенции. Основная задача Бюро заключается в обеспечении существования единой системы измерений во всех странах-участницах этой конвенции.

В МБМВ хранятся международные эталоны основных единиц и выполняются международные метрологические работы, связанные с разработкой и хранением международных эталонов и сличением национальных эталонов с международными и между собой.

В МБМВ также проводятся исследования в области метрологии, направленные на увеличение точности измерений.

В разные годы бюро возглавляли известные европейские ученые: G. Govi (Италия, 1875—1877), J. Pernet (Швейцария, 1877—1879), O.-J. Broch (Норвегия, 1879—1889), J.-R. Benoit (Франция, 1889—1915), C.-E. Guillaume (Швейцария, 1915—1936), A. Perard (Франция, 1936—1951), C. Volet (Швейцария, 1951—1961), J. Terrien (Франция, 1962—1977), P. Giacomo (Франция, 1978—1988), T. J. Quinn (Великобритания, 1988—2003).

С 2004 года по настоящий момент директором МБМВ является профессор Эндрю Уоллард (A. J. Wallard), Великобритания.

Бюро финансируется странами-участницами Метрической конвенции.

В действительности учреждение, где хранятся эталоны основных единиц метрической системы, находится в пригороде Парижа, городе Севре, и называется Международное бюро мер и весов (фр. Bureau International des Poids et Mesures). Как и многое другое в современной Франции, является порождением их Великой революции.

Суть в том, что после победы над французской монархией ZOG озаботилось устранением препятствий на пути свободы торговли и других способов извлечения профита. А одним из таких препятствий являлось наличие более 9000 единиц длины и массы. В конце XVIII века в Европе насчитывалось около 400 единиц измерения, различавшихся между собой, но, зачастую, имевших сходное название. Можно было запутаться, где, кого и на сколько обмануть.

В интернете Парижскую палату мер и весов беспорядочно наполняют образцами вещей и явлений, у которых находят хоть какой-то параметр для измерения. Дежурные и охранники в палате все без исключения имеют степень красоты в одну миллиелену, что составляет количество способное сдвинуть с места один греческий корабль. По версии Луркоморья там хранятся:

§ Сферический конь в вакууме

§ Баночка из под майонеза, чуть более, чем наполовину полная мочой сами знаете кого

§ Эталонный тульский пряник

И еще свыше 9000 экспонатов.

По инсайдерской информации в Парижской палате мер и весов хранятся также:

§ Плоский прямоугольный кот

§ Рука и лицо Капитана Пикарда в качестве эталона фэйспалма

§ Один килограмм НЕНАВИСТИ

§ Одна ебическая сила

§ Связка урановых ломов

§ Эталон дебильной отмазки

Появление мема берет свое начало со стеба над формулировками в школьных учебниках физики советского времени (олдфаги помнят):

Одна лошадиная сила равна силе, изменяющей за одну секунду скорость на один метр в секунду абсолютно черного сферического коня в вакууме массой один килограмм и объемом один литр, хранящегося в палате мер и весов в Париже.

Данный мем возникал в разных школах с разными формулировками, в дальнейшем использовался в анекдотах про физиков, в сериалах, фильмах, компьютерных играх, с появлением интернета набрал популярность.

Сферический конь в вакууме применяется тогда, когда следует показать собеседнику, что применяемые им методы верны лишь в идеальном мире, и чуть менее, чем полностью ошибочны в мире реальном (как бы тем самым намекнув о несостоятельности идей собеседника).

В мире существует несколько единиц измерения под названием «лошадиная сила». В России, как правило, под лошадиной силой имеется в виду так называемая «метрическая лошадиная сила», равная примерно 735 ватт.

В настоящее время в России формально лошадиная сила выведена из употребления, однако до сих пор применяется для расчёта транспортного налога. В России и во многих других странах она всё еще очень широко распространена в автомобильной среде.

В Международной системе единиц (СИ) официально установленной единицей измерения мощности является ватт.

Метрическая лошадиная сила

Механическая лошадиная сила

Электрическая лошадиная сила

Котловая лошадиная сила

Для вычисления мощности двигателя в киловаттах следует использовать соотношение 1 кВт = 1,3596 л.с.

МЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕР

Эталон 1 кг, хранящийся в Париже.

Международный комитет мер и весов состоит из 18 человек, каждый из которых представляет одну страну-участницу. Комитет собирается ежегодно в штаб-квартире Международного бюро мер и весов. Комитет наблюдает за работой Международного бюро мер и весов, координирует метрологические исследования в странах-участницах и вырабатывает рекомендации для Генеральных конференций по мерам и весам.

Генеральные конференции по мерам и весам созываются раз в четыре года. В них участвуют представители всех стран-участниц метрической конвенции и наблюдатели от ассоциированных членов.

Конференция заслушивает доклад Международного комитета мер и весов, принимает решения направленные на улучшение и распространение международной системы единиц (СИ), утверждает бюджет Международного бюро мер и весов на следующие четыре года.

Страны, которые не приняли систему СИ в качестве основной или единственной системы единиц: Либерия, Мьянма, США.

Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других.

Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные названия, например радиану.

Приставки можно использовать перед названиями единиц; они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10. Например, приставка «кило» означает умножение на 1000 (километр = 1000 метров). Приставки СИ называют также десятичными приставками.

Источник

Эталон мер и весов во франции

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

16 ноября 2018 года в Париже завершилась длившаяся несколько десятилетий революция в метрологии.

На пути к системе единиц

Потребность в единой системе мер существовала всегда, но со стремительным развитием науки и техники в Новое время она стала просто жизненно необходимой. Интенсивный обмен знаниями и технологиями требовал всё более точных измерений. На революцию в метрологии учёных, видимо, подвиг дух Великой французской революции. В 1795 году во Франции государство официально приняло так называемую метрическую систему мер, базирующуюся на мерах длины и массы.

Так родилась современная система мер, которая на сегодняшний день распространена на большей части земного шара. Для её совершенствования с тех пор раз в четыре года в Севре собираются Генеральные конференции по мерам и весам. Любопытно, что в России закон о необязательном использовании метрической системы, проект которого подготовил Д. И. Менделеев, появился лишь в 1899 году, а обязательной она стала лишь после революции, в 1918 году.

Возросшие требования к точности измерений уже тогда привели к тому, что метр первым потерял своё «предметное» воплощение. Он стал равным 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона-86. Это излучение создавалось специальной лампой.

Квантовые законы излучения атомов сделали его идеальным инструментом для определения эталонов. Во-первых, уровни энергии, между которыми переходит электрон при излучении, строго фиксированы. А частота и длина волны излучения определяются разностью этих энергий. Во-вторых, все атомы любого химического элемента неразличимы. Это один из основных законов квантовой механики. Криптон везде одинаков.

Так что неудивительно, что в 1967 году судьба метра постигла и секунду. Она была определена как «время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Позднее это определение лишь дополнилось условиями, при которых исключалось влияние на измерение гравитационного и электромагнитного полей. Измерения следовало проводить на уровне моря, а атомы охлаждать до 0К.

Атомные часы полностью разорвали связь секунды с вращением Земли. Впрочем, справедливости ради, уже определение секунды 1960 года как «1/31 556 925,9747 доля тропического года для 0 января 1900 в 12 часов эфемеридного времени» сохраняло эту связь только внешне. Дело в том, что использованная длительность года была не измеренной, а рассчитанной.

Но прошло не так уж много времени, и новая система тоже перестала удовлетворять учёных. Необходимость повышения точности и универсальности единиц измерения привела к идее связать большинство из них с фундаментальными константами, точность определения которых фантастически возросла. Кроме того, фундаментальные константы идеально подходили для создания эталонов: неизменны, общедоступны и не требуют специальных условий хранения. Это позволило бы во всех странах использовать идентичные высокоточные значения мер. Если для обычных инженерных задач столь огромная точность не нужна, то в фундаментальных исследованиях она подчас имеет большое значение. Возможно, какое-нибудь крошечное расхождение между теорией и экспериментом в физике элементарных частиц позволит обнаружить так называемую Новую физику, поиск которой сейчас активно ведётся на ускорителях. К тому же к концу ХХ века исследования и технологии уверенно преодолели нанорубеж.

Не лучше дела обстояли и с килограммом, который оставался последней мерой, эталоном которой служило физическое тело или, как говорят сами метрологи, артефакт. В конце XX века проверки национальных копий эталона килограмма показали, что за 100 лет их массы изменились относительно главного эталона в диапазоне ±50 микрограммов. Логично предположить, что изменилась масса и главного эталона. Это существенно, учитывая, какая точность в измерениях нужна в настоящее время. Изменяется масса из-за явлений диффузии и испарения вещества эталона, а также его загрязнения в те моменты, когда он извлекался из-под вакуумного колпака.

Проще всего оказалось переопределить метр, который в 1983 году был выражен через скорость света в вакууме. В соответствии с теорией относительности эта скорость всегда одна и та же и равна 299 792 458 м/с. Соответственно, эталон метра стал равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды. А вот с другими единицами пришлось повозиться дольше. Долгое время точность их определения не удовлетворяла метрологов.

И вот наконец работа успешно завершена. 16 ноября 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам, прошедшая в Версале, утвердила новые эталоны. Изменения вступят в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.

Благодаря такому подходу каждая страна теперь может в любое время воспроизвести эталонную установку самостоятельно и создать свой эталон, не прибегая к сверке с главным эталоном. Это позволит избежать и проблем, связанных с изменением эталона, а также возможности его утери, уничтожения или повреждения.

Установка, с помощью которой можно создать новый эталон массы, называется весы или баланс Киббла в честь Брайана Киббла, сотрудника Национальной физической лаборатории Великобритании, разработавшего их конструкцию ещё в 1975 году. Это похожее на весы устройство определяет, какой ток нужен для того, чтобы создать электромагнитное поле, способное уравновесить чашу с тестируемым грузом. Ранее этот прибор называли ватт-балансом, поскольку измеряемая масса пропорциональна произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. По сути, это усовершенствованный прибор для измерения тока, ампер-баланс, изобретённый ещё в XIX веке Уильямом Томсоном (лордом Кельвином).

Весы Киббла устроены следующим образом: поддон для взвешиваемого груза жёстко скреплён с катушкой, которая находится в магнитном поле постоянного магнита. Эта система способна перемещаться по вертикали. После установки на поддон груза (m), который необходимо взвесить, по катушке пропускают ток (I), добиваясь, чтобы сила отталкивания (сила Ампера), действующая между катушкой и постоянным магнитом, уравновесила силу тяжести. Значение силы тока фиксируется.

В весах Киббла четвёртого поколения, работающих в настоящее время в Национальном институте стандартов и технологий (NIST, США), катушка с проволокой имеет массу 4 кг и диаметр 43 см. Для неё требуется около 1,4 км проволоки. Система постоянных магнитов из сплава самария и кобальта имеет массу 1000 кг и создаёт магнитное поле B = 0,55 тесла, что примерно в 10 000 раз больше магнитного поля Земли. Катушка и магниты расположены внутри железного корпуса и полностью экранированы от внешних магнитных полей.

Ещё в XIX веке Майкл Фарадей обнаружил, что в проводнике индуцируется напряжение (U), когда он движется в магнитном поле, причём это напряжение пропорционально напряжённости поля (B) и скорости проводника(v): U = vBL. Это явление и позволяет найти BL = U/v. Тогда получаем

На втором этапе взвешивания, получившем название калибровки, груз с поддона убирается, катушка перемещается через окружающее поле с тщательно контролируемой постоянной скоростью, а индуцированное напряжение измеряется. После чего определяется масса.

Определение постоянной Планка

Любопытно, что до этого весы Киббла использовались для нахождения с высокой точностью постоянной Планка. Совершенно очевидно, что если в качестве груза разместить на весах эталон массы, то по тем же формулам можно рассчитать постоянную Планка h.

Было даже сделано предложение заменить платиново-иридиевый эталон на кремниевую сферу. Но это предложение не было принято.

Источник

Последним сдался килограмм

Алексей Понятов,
кандидат физико-математических наук
«Наука и жизнь» №3, 2019

16 ноября 2018 года в Париже завершилась длившаяся несколько десятилетий революция в метрологии. Последняя из основных единиц системы СИ — килограмм — лишилась своего материального воплощения. Теперь килограмм будет определяться не платиново-иридиевой «гирькой», а сверхточным значением фундаментальной постоянной Планка и сложным измерительным устройством, известным как весы Киббла. О хронике революции и о том, как теперь взвесить килограмм, наш рассказ.

Человек занимался измерениями с древних времён. Это было нужно для строительства, изготовления изделий, торговли и планирования деятельности. Каждое государство изобретало свои меры. Ещё полтора века назад в нашей стране размеры мерили вершками, пядями и аршинами, массу — фунтами и пудами, а в качестве мер объёма жидкости можно было встретить чарки и вёдра. В Великобритании до сих пор в ходу дюймы, футы, фунты и пинты.

Потребность в единой системе мер существовала всегда, но со стремительным развитием науки и техники в Новое время она стала просто жизненно необходимой. Интенсивный обмен знаниями и технологиями требовал всё более точных измерений. На революцию в метрологии учёных, видимо, подвиг дух Великой французской революции. В 1795 году во Франции государство официально приняло так называемую метрическую систему мер, базирующуюся на мерах длины и массы.

Для универсальности все введённые меры были привязаны к природным объектам, казавшимся тогда одинаковыми повсюду. Единица длины — метр приравнивался к одной сорокамиллионной доле длины парижского меридиана. Единицу массы — грамм — определили как массу кубического сантиметра воды при 4°C, когда вода имеет наибольшую плотность, а секундой назвали 1/86 400 суток (24 часа по 60 минут из 60 секунд как раз дают 86 400 секунд).

Но наша планета — не шар, к тому же вращается она неравномерно. А вода содержит различные примеси, влияющие на результаты измерений. Поэтому во второй половине XIX века было решено задать меры длины и массы посредством эталонов. В 1875 году в Париже семнадцать стран, включая Россию, подписали Метрическую конвенцию, согласно которой создавались эталоны массы и длины. Их оригиналы должны были храниться в штаб-квартире Международного бюро мер и весов в пригороде Парижа — Севре. А метрологические организации участников конвенции получали точные копии эталонов.

Так родилась современная система мер, которая на сегодняшний день распространена на большей части земного шара. Для её совершенствования с тех пор раз в четыре года в Севре собираются Генеральные конференции по мерам и весам. Любопытно, что в России закон о необязательном использовании метрической системы, проект которого подготовил Д. И. Менделеев, появился лишь в 1899 году, а обязательной она стала лишь после революции, в 1918 году.

Надо сказать, что самый первый эталон длины и массы был изготовлен из платины ещё в 1799 году. Последние варианты сделаны в 1889 году из сплава платины (90%) и иридия (10%). Выбор материала обусловлен химической устойчивостью сплава. Эталон массы выполнен в форме цилиндра с равными высотой и диаметром (чуть более 39 мм). Этим достигалась наименьшая площадь его поверхности и, соответственно, износ. Находится эталон под вакуумным колпаком в комнате, доступ в которую имеют только три человека. Причём, чтобы попасть в неё, они должны одновременно вставить все три имеющихся у них ключа. Первый ключ находится у директора Международного бюро мер и весов, второй — у председателя Международного комитета мер и весов, а третий хранится в Архиве Франции. Эталон длины до 1960 года имел вид Х-образной линейки.

Стремительное развитие новых научных направлений в XIX — начале XX века привело к введению в оборот большого числа новых единиц измерений и нескольких их систем, таких как СГС (1861), МКСА (1901) и других. К середине ХХ века возникла необходимость стандартизировать и упростить сложившуюся сложную совокупность систем и внесистемных единиц в соответствии с современными требованиями. И в 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц СИ (SI, от французского Le Systéme International d’Unités). В неё вошли шесть величин, считающихся основными: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света. Седьмая единица — количество вещества — моль добавлена в 1971 году. Все остальные физические величины стали производными, то есть определяемыми через основные единицы по соответствующим физическим законам.

Возросшие требования к точности измерений уже тогда привели к тому, что метр первым потерял своё «предметное» воплощение. Он стал равным 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона-86. Это излучение создавалось специальной лампой.

Квантовые законы излучения атомов сделали его идеальным инструментом для определения эталонов. Во-первых, уровни энергии, между которыми переходит электрон при излучении, строго фиксированы. А частота и длина волны излучения определяются разностью этих энергий. Во-вторых, все атомы любого химического элемента неразличимы. Это один из основных законов квантовой механики. Криптон везде одинаков.

Так что неудивительно, что в 1967 году судьба метра постигла и секунду. Она была определена как «время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Позднее это определение лишь дополнилось условиями, при которых исключалось влияние на измерение гравитационного и электромагнитного полей. Измерения следовало проводить на уровне моря, а атомы охлаждать до 0 К.

Атомные часы полностью разорвали связь секунды с вращением Земли. Впрочем, справедливости ради, уже определение секунды 1960 года как «1/31 556 925,9747 доля тропического года для 0 января 1900 в 12 часов эфемеридного времени» сохраняло эту связь только внешне. Дело в том, что использованная длительность года была не измеренной, а рассчитанной.

Новая система СИ

Но прошло не так уж много времени, и новая система тоже перестала удовлетворять учёных. Необходимость повышения точности и универсальности единиц измерения привела к идее связать большинство из них с фундаментальными константами, точность определения которых фантастически возросла. Кроме того, фундаментальные константы идеально подходили для создания эталонов: неизменны, общедоступны и не требуют специальных условий хранения. Это позволило бы во всех странах использовать идентичные высокоточные значения мер. Если для обычных инженерных задач столь огромная точность не нужна, то в фундаментальных исследованиях она подчас имеет большое значение. Возможно, какое-нибудь крошечное расхождение между теорией и экспериментом в физике элементарных частиц позволит обнаружить так называемую Новую физику, поиск которой сейчас активно ведётся на ускорителях. К тому же к концу ХХ века исследования и технологии уверенно преодолели нанорубеж.

Эталон килограмма, хранящийся в Международном бюро мер и весов (BIMP) в Париже. Фото: BIMP

Чтобы понять, чем же не устраивала физиков старая система СИ, рассмотрим, например, единицу термодинамической температуры — кельвин. Она была определена как 1/273,16 температуры тройной точки воды. Тройной точкой называют значения давления и температуры, при которых одновременно находятся в равновесии три фазовых состояния воды: твёрдое, жидкое и газообразное. Однако в воде всегда присутствуют примеси тяжёлых изотопов водорода и кислорода, которые могут значительно сдвигать тройную точку. Использование воды с неправильным изотопным составом может вызвать ошибки в несколько сотен микрокельвинов при измерении тройной точки. Поэтому метрологам пришлось дополнительно разработать отдельный стандарт на используемую для измерений воду — Венский стандарт усреднённой океанской воды (VSMOW). В ней должно быть 0,000155 моля дейтерия на моль обычного водорода, 0,002005 моля кислорода-18 на моль обычного кислорода-16 и т. д. А дальше встаёт задача получения стандартной воды.

Не лучше дела обстояли и с килограммом, который оставался последней мерой, эталоном которой служило физическое тело или, как говорят сами метрологи, артефакт. В конце XX века проверки национальных копий эталона килограмма показали, что за 100 лет их массы изменились относительно главного эталона в диапазоне ±50 микрограммов. Логично предположить, что изменилась масса и главного эталона. Это существенно, учитывая, какая точность в измерениях нужна в настоящее время. Изменяется масса из-за явлений диффузии и испарения вещества эталона, а также его загрязнения в те моменты, когда он извлекался из-под вакуумного колпака.

Проще всего оказалось переопределить метр, который в 1983 году был выражен через скорость света в вакууме. В соответствии с теорией относительности эта скорость всегда одна и та же и равна 299 792 458 м/с. Соответственно, эталон метра стал равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды. А вот с другими единицами пришлось повозиться дольше. Долгое время точность их определения не удовлетворяла метрологов.

И вот наконец работа успешно завершена. 16 ноября 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам, прошедшая в Версале, утвердила новые эталоны. Изменения вступят в силу во Всемирный день метрологии, 20 мая 2019 года.

Единица силы тока — ампер — определена теперь не через силу взаимодействия токов, а через значение элементарного заряда (е, заряд электрона), которое принято равным 1,602176634 × 10 −19 Кл. Заряд (q), прошедший через проводник при протекании в нём тока силой I в течение времени t, можно найти по формуле q = It.

Единица количества вещества — моль — ранее соответствовала количеству атомов, которое содержится в 0,012 килограмма изотопа углерода-12, что означало её связь с массой. Теперь же моль соответствует зафиксированному числу атомов 6,02214076 · 10 23 (постоянная Авогадро).

Как ни странно, но самые большие трудности возникли на пути создания, казалось бы, на первый взгляд самого простого эталона — килограмма. С ним физики провозились дольше всего. Но и эту проблему удалось решить. В новой версии системы СИ килограмм должен оказаться таким, чтобы постоянная Планка составила ровно 6,62607015 · 10 −34 Дж · с. Измерения эталона производятся с помощью специальных весов, где вес тела уравновешивается электромагнитной силой, которая рассчитывается на основе постоянной Планка.

Благодаря такому подходу каждая страна теперь может в любое время воспроизвести эталонную установку самостоятельно и создать свой эталон, не прибегая к сверке с главным эталоном. Это позволит избежать и проблем, связанных с изменением эталона, а также возможности его утери, уничтожения или повреждения.

Весы Киббла

Установка, с помощью которой можно создать новый эталон массы, называется весы, или баланс, Киббла в честь Брайана Киббла, сотрудника Национальной физической лаборатории Великобритании, разработавшего их конструкцию ещё в 1975 году. Это похожее на весы устройство определяет, какой ток нужен для того, чтобы создать электромагнитное поле, способное уравновесить чашу с тестируемым грузом. Ранее этот прибор называли ватт-балансом, поскольку измеряемая масса пропорциональна произведению тока и напряжения, которое измеряется в ваттах. По сути, это усовершенствованный прибор для измерения тока, ампер-баланс, изобретённый ещё в XIX веке Уильямом Томсоном (лордом Кельвином).

Весы Киббла из Национального института стандартов и технологий США. Всё устройство имеет высоту около 2,5 метра и во время измерений закрыто металлическим корпусом, внутри которого поддерживается вакуум. Фото: J. L. Lee / NIST

Весы Киббла устроены следующим образом: поддон для взвешиваемого груза жёстко скреплён с катушкой, которая находится в магнитном поле постоянного магнита. Эта система способна перемещаться по вертикали. После установки на поддон груза (m), который необходимо взвесить, по катушке пропускают ток (I), добиваясь, чтобы сила отталкивания (сила Ампера), действующая между катушкой и постоянным магнитом, уравновесила силу тяжести. Значение силы тока фиксируется.

В весах Киббла четвёртого поколения, работающих в настоящее время в Национальном институте стандартов и технологий (NIST, США), катушка с проволокой имеет массу 4 кг и диаметр 43 см. Для неё требуется около 1,4 км проволоки. Система постоянных магнитов из сплава самария и кобальта имеет массу 1000 кг и создаёт магнитное поле B = 0,55 тесла, что примерно в 10 000 раз больше магнитного поля Земли. Катушка и магниты расположены внутри железного корпуса и полностью экранированы от внешних магнитных полей.

Упрощённо условие равновесия имеет вид mg = IBL, где L — длина провода в катушке. Казалось бы, задача решена и можно найти массу. Однако на практике величину BL чрезвычайно трудно измерить с необходимой точностью из-за неоднородности поля магнита и многослойности намотки катушки. Собственно, Брайан Киббл и придумал, как обойти эту сложность.

Ещё в XIX веке Майкл Фарадей обнаружил, что в проводнике индуцируется напряжение (U), когда он движется в магнитном поле, причём это напряжение пропорционально напряжённости поля (B) и скорости проводника (v): U = vBL. Это явление и позволяет найти BL = U/v. Тогда получаем

Основные элементы весов Киббла: 1 — поддон со взвешиваемым грузом; 2 — катушка, по которой протекает ток; 3 — постоянный магнит; 4 — конец троса, ведущий к двигателю, который может перемещать поддон и катушку по вертикали. Красными стрелками показаны уравновешенные силы тяжести и магнитного отталкивания. Рисунок: Suplee / NIST

Осталось измерить U и v. Для этого Киббл разместил на установке большое колесо, по одну сторону которого располагаются поддон и катушка, а по другую — двигатель, который может поднимать катушку с постоянной скоростью с помощью троса.

На втором этапе взвешивания, получившем название калибровки, груз с поддона убирается, катушка перемещается через окружающее поле с тщательно контролируемой постоянной скоростью, а индуцированное напряжение измеряется. После чего определяется масса.

Определение постоянной Планка

Любопытно, что до этого весы Киббла использовались для нахождения с высокой точностью постоянной Планка. Совершенно очевидно, что если в качестве груза разместить на весах эталон массы, то по тем же формулам можно рассчитать постоянную Планка h.

Но это не единственный метод. Другой способ нахождения с высокой точностью постоянной Планка разработан в Национальном метрологическом институте Германии. Там из изотопа кремния 28 Si, добытого в России, вырастили монокристаллы, а из них в Австралии создали практически идеально гладкие сферы — эталоны килограмма. При диаметре около 93,75 миллиметра шероховатость их поверхности не превышает 0,3 нанометра. Если эту сферу увеличить до размера Земли, то неровность поверхности не превысит 20 мм. Выбор пал на кремний из-за наличия развитой полупроводниковой промышленности, способной выращивать большие монокристаллы. Масса примесей в такой сфере не превышает десятимиллионную долю грамма. Очень точно измерив параметры кристаллической решётки кремния и полагая сферу идеально сферичной, физики могут рассчитать количество атомов в ней. Исходя из этого можно вычислить число Авогадро и постоянную Планка.

Было даже сделано предложение заменить платиново-иридиевый эталон на кремниевую сферу. Но это предложение не было принято.

Источник