Прощай, килограмм!

[Degen1103]

Прощай, килограмм! Почему наша единица массы безнадежно устарела

16 ноября 2018 г. правительства всего мира утвердили новое определение килограмма - чему именно равна и как должна рассчитываться основная единица измерения массы. И хотя это никак не отразится на нашей повседневной жизни, значение этого шага для научного мира и промышленности, где требуются предельно точные измерения, трудно переоценить.

Теперь килограмм предполагается измерять при помощи так называемых весов Ватта (или баланса Киббла) - этот прибор определяет массу через постоянную Планка. Проще говоря, определение килограмма увязано с количеством электромагнитной энергии, необходимой для того, чтобы уравновесить объект соответствующей массы. Эталонную гирю заменят электрический ток и напряжение, пропорциональное силе создаваемого ей гравитационного поля.



Эти величины, в отличие от самого физического объекта, не могут измениться или пропасть. А кроме того, точно отмерять килограмм теперь смогут любые ученые по всему миру, а не только те, у кого есть доступ к оригинальной парижской гире или ее копии. По словам главы британской Национальной физической лаборатории Теодора Йанссена, отвечающего за стандарты измерения, пятничное голосование - поворотный момент в истории физики. "Теперь все единицы системы СИ будут основаны на фундаментальных константах природы - вечных, неизменных величинах, - объясняет он. - Это позволит проводить куда более точные измерения и укрепит основы науки в целом". Новое определение килограмма должно вступить в силу в мае следующего года.

В пятницу также были пересмотрены определения ампера, кельвина и моля.
Ампер (сила тока) будут измерять, подсчитывая число создающих ток и по одному переносимых электронов.
Кельвин (температура) - за счет акустической термометрии, измеряя скорость звука в сфере, заполненной газом определенной температуры.
Моль (количество вещества) пересмотрели при помощи инструмента, определяющего точное число атомов в идеальной сфере из чистого кремния-28.

[realeugene]

Чего-то я не понимаю. А как от знания величины ускорения свободного падения избавляются?

UPD Измеряют гравиметром.

[arseniiv]

На днях узнал об этом по серии постов кого-то в твиттере, откуда попал на страницу с описанием этой установки и страшную фотографию, под которой написано, что всё должно быть в вакууме. В общем, это очень сложный прибор, и какое-то число лет назад с ним были решены не все проблемы. Остаётся порадоваться, что, видимо, всё довели до приемлемого состояния (вон проект Авогадро не успел).

-- Пт ноя 16, 2018 23:28:17 --

Вопрос к физикам: как это теперь скажется на точности, что мы можем определять точнее? (Ну и текущая точность определения массы самой установкой.)

[realeugene]

Во-первых, переопределили постоянную Планка. Теперь её значение точное. Килограмм теперь определён через частоту с помощью постоянной Планка и скорости света - две отныне точные константы. А стандарт частоты - самый точный физический эталон.

Во-вторых, ранее платиновые эталоны килограмма медленно испарялись со скоростью порядка 50 микрограмм за 100 лет. Теперь килограмм определён через фундаментальные константы и стабилен.

[arseniiv]

Это-то понятно — хотя читающим тему будет полезно знать, если не знали, конечно же, — а вот точности определений всё равно не бесконечны, вот насколько они лучше эталона (ну хотя бы в порядках)? Я читал старую статью и потому решил не запоминать цифры оттуда, там было вроде около $10^{-9}$ или что-то такое, или это была как раз цель.

[warlock66613]

realeugene в сообщении #1354599 писал(а):

две отныне точные константы

И ещё постоянная Больцмана вроде как. И число Авогадро.

[realeugene]

arseniiv в сообщении #1354607 писал(а):

а вот точности определений всё равно не бесконечны

Точность точных физических констант бесконечна по определению. Они точные. Килограмм сейчас определён через эталон времени. Вопрос только в точности его воспроизводимости, эталон времени сейчас на много порядков точнее возможностей механических измерений. Но это стандартная задача метрологии, как минимизировать погрешности вторичных эталонов. И лишь технические трудности по минимизации погрешностей в установках.

warlock66613 в сообщении #1354609 писал(а):

И ещё постоянная Больцмана вроде как. И число Авогадро.

Вроде да. И ампер. Т. е. кулон - элементарный заряд сейчас тоже стал точной константой.

Тут подробно: https://en.wikipedia.org/wiki/Redefinit ... base_units

[arseniiv]

realeugene в сообщении #1354615 писал(а):

Вопрос только в точности его воспроизводимости, эталон времени сейчас на много порядков точнее возможностей механических измерений. Но это стандартная задача метрологии, как минимизировать погрешности вторичных эталонов. И лишь технические трудности по минимизации погрешностей в установках.

Ну так я именно про эти последние погрешности в установках и спрашивал! Насколько теперь можно лучше измерять массы прямо сейчас, когда мы не ограничены изменением массы бывшего эталона?

Бесконечная точность — это очевидно и, скажем так, с физической стороны неинтересно. (С моей низкой колокольни.)

[Degen1103]

А почему кг через моль не выводится?

[warlock66613]

Degen1103, потому что нет (да и не может быть, учитывая, что такое моль) фундаментальной константы, связывающей килограмм с молем. А основная идея - привязать всё по-возможности к фундаментальным константам.

[realeugene]

arseniiv в сообщении #1354618 писал(а):

Ну так я именно про эти последние погрешности в установках и спрашивал! Насколько теперь можно лучше измерять массы прямо сейчас, когда мы не ограничены изменением массы бывшего эталона?

Измерять массы теперь можно только менее точно, так как раньше эталон килограмма считался абсолютно точным, а теперь он выводится измерениями из других эталонов. Зато раньше эта абсолютная точность килограмма была вымышленной, так как сам эталон со временем плыл. А теперь он привязан, как и почти все другие эталоны, в конце концов к эталону времени, когда считают количество колебаний электромагнитного излучения, генерируемого при определённом переходе в атоме цезия. И привязан через квантовые явления и через постоянство скорости света в СТО. Т. е. теперь эталон килограмма дрейфовать не может в принципе. И, в принципе, открыт путь для измерения килограмма с произвольной желаемой точностью. Теперь эта задача чисто техническая.

Таблица с текущими достигнутыми погрешностями эталонов физических величин есть по ссылке в Википедии, которую я приводил выше. Думаю, ей можно доверять в такой теме в форуме.

[Booker48]

realeugene в сообщении #1354599 писал(а):

Во-первых, переопределили постоянную Планка. Теперь её значение точное.

Получается, не столько килограмм переопределили, сколько именно физические константы. В рувики пока про постоянную Больцмана написано, что она равна $k=1,38064852(79)\cdot 10^{-23}$ Дж/К.
А она уже в точности равна $k=1,380649\cdot 10^{-23}$ Дж/К.

Отсюда полшага до законодательного изменения $1$, таким образом, чтобы $\pi=3.14159$ (точно).

[realeugene]

Booker48 в сообщении #1354740 писал(а):

Отсюда полшага до законодательного изменения $1$, таким образом, чтобы $\pi=3.14159$ (точно).

Не фантазируйте.

[arseniiv]

Вот тут соглашусь.

[Osmiy]

А если фундаментальные константы тоже плывут, то килограмм тоже поплывёт.