2018 có thể được gọi là một năm định mệnh trong ngành đo lường, vì đây là thời điểm diễn ra một cuộc cách mạng công nghệ thực sự trong hệ thống đơn vị đại lượng vật lý quốc tế SI. Nó là về việc sửa đổi các định nghĩa của các đại lượng vật lý chính. Liệu một kg khoai tây trong siêu thị bây giờ có được cân theo cách mới không? C âu cũng vậy. Một cái gì đó khác sẽ thay đổi.
Trước hệ SI
Các tiêu chuẩn chung về trọng lượng và thước đo là cần thiết trong thời cổ đại. Nhưng các quy tắc chung cho phép đo trở nên đặc biệt cần thiết với sự ra đời của tiến bộ khoa học và công nghệ. Các nhà khoa học cần nói một ngôn ngữ chung: một foot là bao nhiêu cm? Và centimet ở Pháp là bao nhiêu khi nó không giống với ở Ý?
Pháp có thể được gọi là một cựu chiến binh danh dự và người chiến thắng trong các trận chiến đo lường lịch sử. Tại Pháp vào năm 1791, hệ thống đo lường chính thức được chấp thuận vàđơn vị và định nghĩa của các đại lượng vật lý chính đã được mô tả và xác nhận dưới dạng tài liệu nhà nước.
Người Pháp là những người đầu tiên hiểu rằng các đại lượng vật lý phải gắn liền với các vật thể tự nhiên. Ví dụ, một mét đã được mô tả bằng 1 / 40.000.000 của chiều dài kinh tuyến từ bắc xuống nam theo hướng xích đạo. Do đó, anh ấy bị ràng buộc với kích thước của Trái đất.
Một gam cũng gắn liền với các hiện tượng tự nhiên: nó được định nghĩa là khối lượng của nước trong một cm khối ở mức nhiệt độ gần bằng 0 (băng tan).
Nhưng hóa ra, Trái đất hoàn toàn không phải là một quả bóng hoàn hảo, và nước trong một khối lập phương có thể có nhiều đặc tính khác nhau nếu nó chứa tạp chất. Do đó, kích thước của những đại lượng này ở các phần khác nhau của hành tinh hơi khác nhau một chút.
Vào đầu thế kỷ 19, người Đức, dẫn đầu là nhà toán học Karl Gauss, bước vào lĩnh vực kinh doanh. Ông đề xuất cập nhật hệ thống thước đo centimet-gam-giây, và kể từ đó, các đơn vị đo lường đã đi vào thế giới, khoa học và được cộng đồng quốc tế công nhận, một hệ thống đơn vị đại lượng vật lý quốc tế đã được hình thành.
Nó đã được quyết định thay thế độ dài của kinh tuyến và khối lượng của một khối nước bằng các tiêu chuẩn đã được lưu trữ trong Cục Cân nặng và Đo lường ở Paris, với việc phân phối các bản sao cho các quốc gia tham gia vào hệ thống đo lường quy ước.
Kilôgam, chẳng hạn, trông giống như một hình trụ làm bằng hợp kim của platin và iridi, cuối cùng cũng không trở thành một giải pháp lý tưởng.
Hệ thống đơn vị đại lượng vật lý quốc tế SI được hình thành vào năm 1960. Lúc đầu, nó bao gồm sáucác đại lượng cơ bản: mét và chiều dài, kilôgam và khối lượng, thời gian tính bằng giây, cường độ dòng điện tính bằng ampe, nhiệt độ nhiệt động lực học tính bằng kelvin và cường độ sáng tính bằng đơn vị candela. Mười năm sau, một chất nữa đã được thêm vào chúng - lượng chất, được đo bằng mol.
Cần biết rằng tất cả các đơn vị đo khác của các đại lượng vật lý trong hệ thống quốc tế đều được coi là đạo hàm của các đại lượng cơ bản, tức là chúng có thể được tính toán bằng toán học bằng cách sử dụng các đại lượng cơ bản của hệ SI.
Rời xa các tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn vật lý hóa ra không phải là hệ thống đo lường đáng tin cậy nhất. Bản thân tiêu chuẩn kilôgam và các bản sao của nó theo quốc gia được so sánh định kỳ với nhau. Các bản kết hợp cho thấy những thay đổi về khối lượng của các tiêu chuẩn này, xảy ra vì nhiều lý do khác nhau: bụi trong quá trình xác minh, tương tác với chân đế hoặc thứ gì đó khác. Các nhà khoa học đã nhận thấy những sắc thái khó chịu này trong một thời gian dài. Đã đến lúc sửa đổi các tham số của các đơn vị đại lượng vật lý của hệ thống đo lường quốc tế.
Do đó, một số định nghĩa về đại lượng dần dần thay đổi: các nhà khoa học cố gắng thoát ra khỏi các tiêu chuẩn vật lý, bằng cách này hay cách khác đã thay đổi các thông số của chúng theo thời gian. Cách tốt nhất là suy ra các đại lượng về các đặc tính bất biến, chẳng hạn như tốc độ ánh sáng hoặc những thay đổi trong cấu trúc của nguyên tử.
Vào đêm trước của cuộc cách mạng trong hệ SI
Những thay đổi chính về công nghệ trong hệ thống đơn vị đại lượng vật lý quốc tế được thực hiện thông qua sự bỏ phiếu của các thành viên của Văn phòng Trọng lượng và Đo lường Quốc tế tại hội nghị hàng năm. Nếu được chấp thuận, các thay đổi sẽ có hiệu lực sau một vàitháng.
Tất cả điều này là cực kỳ quan trọng đối với các nhà khoa học, những người nghiên cứu và thử nghiệm đòi hỏi độ chính xác cao nhất trong các phép đo và công thức.
Các tiêu chuẩn tham chiếu mới của năm 2018 sẽ giúp đạt được mức độ chính xác cao nhất trong mọi phép đo tại bất kỳ địa điểm, thời gian và quy mô nào. Và tất cả những điều này mà không làm giảm độ chính xác.
Định nghĩa lại các đại lượng trong hệ SI
Nó liên quan đến bốn trong số bảy đại lượng vật lý cơ bản vận hành. Nó đã được quyết định xác định lại các số lượng sau với các đơn vị:
- kilogam (khối lượng) sử dụng các đơn vị của hằng số Planck trong biểu thức;
- ampe (dòng điện) với phép đo điện tích;
- kelvin (nhiệt động lực học) với biểu thức đơn vị sử dụng hằng số Boltzmann;
- mol thông qua hằng số Avogadro (lượng chất).
Đối với ba đại lượng còn lại, từ ngữ của các định nghĩa sẽ được thay đổi, nhưng bản chất của chúng sẽ không thay đổi:
- mét (chiều dài);
- giây (thời gian);
- candela (cường độ sáng).
Thay đổi với Amp
Ampe là đơn vị đại lượng vật lý trong hệ SI quốc tế ngày nay, được đề xuất từ năm 1946 trở lại đây. Định nghĩa được gắn với cường độ dòng điện giữa hai dây dẫn trong chân không ở khoảng cách một mét, xác định tất cả các sắc thái của cấu trúc này. Tính không chính xác và phép đo cồng kềnh là hai đặc điểm chính của định nghĩa này theo quan điểm ngày nay.
Theo định nghĩa mới, ampe là cường độ dòng điện bằngdòng của một số điện tích cố định trong một giây. Đơn vị được biểu thị bằng điện tích electron.
Để xác định ampe được cập nhật, chỉ cần một công cụ - cái gọi là bơm điện tử đơn, có thể di chuyển các điện tử.
Nốt ruồi mới và độ tinh khiết của silicon 99,9998%
Định nghĩa cũ về mol liên quan đến lượng vật chất bằng số nguyên tử trong đồng vị cacbon có khối lượng 0,012 kg.
Trong phiên bản mới, đây là lượng chất được chứa trong một số lượng đơn vị cấu trúc xác định chính xác. Các đơn vị này được biểu thị bằng hằng số Avogadro.
Cũng có nhiều lo lắng với con số của Avogadro. Để tính toán, người ta quyết định tạo ra một quả cầu bằng silicon-28. Đồng vị này của silicon được phân biệt bởi mạng tinh thể chính xác đến mức hoàn hảo của nó. Do đó, số lượng nguyên tử trong nó có thể được đếm chính xác bằng cách sử dụng một hệ thống laze đo đường kính của một quả cầu.
Tất nhiên, người ta có thể tranh luận rằng không có sự khác biệt cơ bản giữa quả cầu silicon-28 và hợp kim platin-iridi hiện tại. Cả chất đó và chất khác đều mất nguyên tử theo thời gian. Thua, đúng. Nhưng silicon-28 đang mất dần chúng với tốc độ có thể dự đoán được, vì vậy sẽ có những điều chỉnh đối với tham chiếu mọi lúc.
Silicon-28 tinh khiết nhất cho quả cầu gần đây đã được sản xuất tại Hoa Kỳ. Độ tinh khiết của nó là 99,9998%.
Và bây giờ là Kelvin
Kelvin là một trong những đơn vị đại lượng vật lý trong hệ thống quốc tế và được sử dụng để đo mức nhiệt độ nhiệt động lực học. "Theo cách cũ" nó bằng 1/273, 16phần nhiệt độ của điểm ba của nước. Điểm ba của nước là một thành phần cực kỳ thú vị. Đây là mức nhiệt độ và áp suất tại đó nước ở ba trạng thái cùng một lúc - “hơi nước, nước đá và nước”.
Định nghĩa "khập khiễng bằng cả hai chân" vì lý do sau: giá trị của kelvin phụ thuộc chủ yếu vào thành phần của nước với một tỷ lệ đồng vị đã biết về mặt lý thuyết. Nhưng trong thực tế, không thể có được nước với các đặc tính như vậy.
Kelvin mới sẽ được định nghĩa như sau: một kelvin tương đương với sự thay đổi nhiệt năng bằng 1,4 × 10−23j. Các đơn vị được biểu thị bằng hằng số Boltzmann. Giờ đây, mức nhiệt độ có thể được đo bằng cách cố định tốc độ âm thanh trong quả cầu khí.
Kg không chuẩn
Chúng tôi đã biết rằng ở Paris có một tiêu chuẩn của bạch kim với iridi, bằng cách nào đó, trọng lượng của nó đã thay đổi trong quá trình sử dụng trong đo lường và hệ thống các đơn vị đại lượng vật lý.
Định nghĩa mới của kilôgam là: Một kilôgam được biểu thị bằng hằng số Planck chia cho 6,63 × 10−34m2· с−1.
Việc đo khối lượng hiện có thể được thực hiện trên thang "watt". Đừng để cái tên đánh lừa bạn, đây không phải là những chiếc cân thông thường, mà là điện, đủ để nâng một vật thể nằm ở phía bên kia của chiếc cân.
Những thay đổi trong nguyên tắc cấu tạo các đơn vị của đại lượng vật lý và toàn bộ hệ thống của chúng là cần thiết, trước hết, trong các lĩnh vực lý thuyết của khoa học. Các yếu tố chính trong hệ thống cập nhậthiện là các hằng số tự nhiên.
Đây là kết luận hợp lý sau nhiều năm hoạt động của một nhóm các nhà khoa học nghiêm túc quốc tế, những người nỗ lực trong một thời gian dài nhằm tìm ra các phép đo lý tưởng và định nghĩa các đơn vị dựa trên các định luật vật lý cơ bản.
