Изменение системы СИ

Изменение в системе единиц СИ

В ноябре 2018 года Генеральная конференция по весу и мерам собирается на очередное заседание. На нём будет поставлен вопрос о реформировании системы СИ

Международная система единиц, СИ (фр. Le Système International d’Unités, SI) — система единиц физических величин, современный вариант метрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В настоящее время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы. В этих немногих странах (например, в США) определения традиционных единиц были изменены таким образом, чтобы связать их фиксированными коэффициентами с соответствующими единицами СИ.

Полное официальное описание СИ вместе с её толкованием содержится в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI, англ. The SI Brochure) и Дополнении к ней, опубликованных Международным бюро мер и весов (МБМВ) и представленных на сайте МБМВ. Брошюра СИ издаётся с 1970 года, с 1985 года выходит на французском и английском языках, переведена также на ряд других языков, однако официальным считается текст только на французском языке.

Брошюра с описанием единиц СИ

Коренные племена Мадагаскара мерили время жаркой одной саранчи. В средневековой Англии для данной же цели применяли молитву “Отче наш”. Мир непробудившейся науки и примитивных технологий не нуждался в особенной точности.

Вопрос стандартизации мер и весов остро встал перед обществом в восемнадцатом веке. Недостаток общепринятых и надёжных единиц измерения тормозило становление науки. Кавендиш измерил силу притяжения между телами и вычислил гравитационную постоянную G. Но он должен был опубликовать результат в виде утверждения, что средняя плотность Земли в 5,48 раз больше плотности воды. Значение вожделенной константы приходилось представлять из данной пропорции через объём земного шара и ускорение свободного падения.

Мешало несовершенство измерений и властительнице истории – интернациональной торговле. Парламент Великобритании учредил огромную Премию долготы за метод достаточно точно измерять время – так как это единственный метод выяснить долготу корабля в открытом океане.

Спрос, как мы знаем, рождает предложение. В 1799 году во Франции были изготовлены эталоны метра и килограмма. К середине XX века оформилась система единиц СИ.

Введение системы единиц СИ

Сегодня она покоится на семи китах. Имя им – метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Эти единицы – основные. Все остальные – производные, как, например, метр в секунду (м/с). Иногда производные единицы имеют собственные названия. Например, ньютон (единица измерения силы) имеет вид кг∙м/с².

Но договориться измерять удава в попугаях – это полдела. Необходимо, чтобы попугаи у всех были одинаковыми. Человек, которому делают операцию на глазном яблоке, вряд ли согласится, чтобы производители оборудования имели какое-то своё представление о том, сколь велик миллиметр. А между тем современная наука и техника предъявляют к точности измерений куда более высокие требования.

Для правильной работы навигационных систем GPS и ГЛОНАСС необходимо учитывать даже замедление времени, предсказанное общей теорией относительности. А в детекторах гравитационных волн трёхкилометровое расстояние между зеркалами меняется на величину, которая в тысячу раз меньше радиуса протона.

“Образцовым попугаем” служит эталон. Эталоны метра и килограмма в своё время были изготовлены из сплава платины и иридия и помещены в Палату мер и весов. Как утверждается в известном анекдоте, там же хранится лошадь, развивающая мощность в одну лошадиную силу – она имеет рост один метр и массу один килограмм.

Проблема с рукотворными эталонами, однако, прекрасно озвучена в классическом фильме Марка Захарова: “Что один человек собрал, другой завсегда разобрать может”. Эталон может быть похищен, уничтожен, испорчен. Бурные события европейской истории XX века убеждают в этом самых недоверчивых.

В чём же выход? Он очевиден. За эталон надо принять природный физический процесс. Время, за которое электрон в атоме цезия совершает переход между энергетическими уровнями, ни уничтожить, ни похитить нельзя. Оно было таким же, как сейчас, до появления человека и не изменится после его исчезновения.

Поэтому можно подсчитать количество переходов, которое происходит в ныне существующую секунду, обозначить его n и в дальнейшем определять секунду как время, за которое электрон совершает nпереходов. Нужно только считать достаточно точно, чтобы длина промежутков времени, уже измеренных в “старых секундах”, в “новых секундах” осталась той же самой в пределах погрешности измерения.

Принятие метрической системы

Как раз так и была выяснена секунда в 1960-х годах. Привязав к законам природы значение секунды, учёные смогли зафиксировать и величину метра – через скорость света в вакууме, фундаментальную физическую константу. Метр выяснили как расстояние, которое свет проходит за определённое количество секунд.

Сегодня точные измерения – это целая отрасль прикладной науки. Ядерные часы бьют рекорды точности и стабильности, системы радиотелескопов напрямую измеряют скорость движения континентов, астрономы для изучения сложного танца небесных тел планируют применять пульсары – природные часы-радиомаяки.

К настоящему времени единственной основной единицей СИ, которая так же, как и прежде определяется искусственным, лежащим под колпаком эталоном, – это килограмм. Но, это не означает, что к остальным единицам у учёных нет претензий.

Мало привязать единицу измерения к какому-то физическому закону. Необходимо ещё сделать это так, дабы опыт, воспроизводящий данный эталон, возможно было сделать максимально “чистым”, не подверженным влиянию посторонних факторов. И здесь у физиков есть вопросы к единице температуры – кельвину. Он определяется через тройную точку воды. Грубо говоря, это температура, при которой вещество может находиться в любом из трёх состояний – жидком, твёрдом или газообразном.

Казалось бы, уж воды-то кругом достаточно, и с проведением для того чтобы опыта никаких неприятностей не появится. Но значение тройной точки достаточно чувствительно к чистоте воды а также к её изотопному составу. Исходя из этого точность измерений температуры в таких единицах меньше, чем хочется ненасытным физикам.

Главная или Генеральная конференция по мерам и весу

Вследствие этого Главная конференция по мерам и весу ещё в 2011 году постановила, что необходимо переопределить единицы измерения, привязав их к основным мировым константам. В частности ампер должен быть привязан к заряду электрона, кельвин – к постоянной Больцмана, а килограмм – к постоянной Планка. Определение моля также необходимо переписать, сделав его независимым от килограмма и зафиксировав точное значение числа Авогадро.

Но, как уже было сказано выше, для начала эти мировые константы требовалось измерить достаточно точно в существующих единицах. Лишь это может гарантировать, что “новые” единицы совпадут со “старыми” настолько, что уже сделанные измерения не нужно будет пересматривать. А помимо этого, необходимо было создать и процедуры воспроизведения естественных эталонов, достаточно устойчивые к внешним факторам, каковые смогут их исказить.

Специалисты потребовали точности в измерении фундаментальных констант до восьми значащих цифр по окончании запятой. И сегодня эту работу можно считать завершённой. 20 октября 2017 года в журнал Metrologia принята к публикации статья за авторством членов Комитета согласно данным для науки и техники (CODATA). В ней приведены результаты измерений, сделанных различными коллективами авторов, и констатировано, что требуемая точность наконец достигнута.

В ноябре 2018 года Главная (или Генеральная с анг.) конференция по весу и мерам собирается на очередное совещание. На нём будет поставлен вопрос о реформировании системы СИ на основе опубликованных значений. И тогда человечество получит систему единиц, базирующуюся не на произвольно выбранных кусках драгоценного металла, а на прочном фундаменте законов природы, не поддающихся ни искажению, ни уничтожению.