Загрузка...

Пользователи

      Вход
      авторизуйтесь

      Форум

      Всё обо всёмОффТопик

      Эталоны, метрическая система и их относительная достоверность

      Автор: Л. Брянский. 
      
      В Древнем Египте, провожая в загробное царство умершего фараона, среди прочих ценных предметов в гробницу помещали копию меры длины - "священного локтя". Сам же эталон покоился в храме и тщательно оберегался жрецами. Сегодня создают эталоны и средства передачи их показаний измерительным приборам, открывают новые и более совершенные методы точных измерений ученые-метрологи. Сами же эталоны представляют собой сложные аппаратурные комплексы, занимающие большую площадь. В трех научных метрологических центрах России хранится 116 государственных эталонов основных и производных единиц измерений. Это достояние чрезвычайно ценное, ведь ошибки измерения в любой области человеческой деятельности чреваты многими бедами: в науке может не состояться открытие, а в промышленности отклонение от стандарта влечет большие экономические потери.
      
      Уздечка на времени 
      
      Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей. 
      
      Эталон времени - особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время - очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой. 
      
      Эталон времени - это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5.10-14, то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду.
      
      От линейки - к лазеру 
      
      Первое определение метра - одна десятимиллионная доля четверти земного меридиана, проходящего через Париж. К 1799 году французами были выполнены необходимые измерения и изготовлен эталон - платиновая линейка. Ее и поныне называют "архивный метр". Старшее поколение, очевидно, помнит по школьному учебнику физики рисунок линейки Х-образного сечения длиной 102 см, на которой нанесены две группы штрихов. Расстояние между средними штрихами этих групп равнялось 1 метру. 
      
      Старые эталоны (платиново-иридиевая линейка и пришедшие ей на смену кадмиевые и криптоновые лампы) не позволяли определить значение метра с погрешностью меньшей 10-7. А этого было уже недостаточно. Развитие техники, и прежде всего электроники, требовало создания деталей с более высокой точностью. Чтобы сделать новый эталон, нужно было придумать метру новое определение, причем привязанное к заведомо постоянным величинам, так называемым фундаментальным физическим константам. Было заманчиво определить метр через время и скорость. До этого додумались еще мудрецы Халдеи: во время специального обряда на горизонтальной площадке жрец ловил взглядом первую точку появления Солнца на горизонте и размеренным шагом устремлялся ему навстречу; как только над горизонтом всходил весь диск, жрец останавливался, место отмечалось - таким образом определялась мера длины "стадий" - около 185 метров. 
      
      Со вр
      Свернуть тему

      Поделитесь этим в социальной сети:


      Со временем все было в порядке - погрешность его эталона в сотни тысяч раз меньшая, чем у метра. Но возникли проблемы со скоростью. Годилась лишь одна фундаментальная константа - скорость света в вакууме, но погрешность определения ее значения не могла быть меньше, чем у эталона метра (ведь скорость - это те же метры в секунду). Образовался заколдованный круг. И разорвали его, приняв неординарное решение: считать наиболее достоверное из измеренных значений скорости света истинным, то есть не имеющим погрешностей. Так появилось новое определение метра - он равен пути, проходимому светом в вакууме за 1/2999792458 доли секунды, а метр попал в "вассальную зависимость" от времени. 
      
      Хранится российский эталон длины во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева в Петербурге. Основные части его - источник оптического излучения с известной длиной волны (лазер) и интерферометр - прибор, с помощью которого подсчитывают число волн на проверяемом образце. 
      
      700 тонн в основании 1 килограмма 
      
      Современные эталоны - это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А эталон массы был и остается гирей - платиново-иридиевой "образца 1889 года" (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Сущность самой измерительной операции также осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Конечно, изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия (так, например, были открыты аргон и другие инертные газы), но все же эталон массы - это источник головной боли для метрологов всего мира. 
      
      Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока - в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка - это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский - раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них - к образцовым наборам гирь. 
      
      Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно - здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма. Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока - ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее - одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны. 
      
      Словом, мы, возможно, стоим на пороге революционного открытия в метрологии. Но пока "капризный килограмм" требует к себе большого почтения. Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01оС, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг. 
      
      Когда погрешность не грех 
      
      Создание и эксплуатация эталонов требуют и больших сооружений, и больших затрат. Мы уже говорили о многотонном фундаменте эталона килограмма, не менее "легкий" фундамент и у радиооптического моста эталона времени. При эталоне метра "состоит" пятидесятиметровый интерферо метр для поверки мерных проволок и рулеток, при эталоне звукового давления в воде - гидроакус тический бассейн с 360 тоннами деаэрированной ("безвоздушной" - без растворенного воздуха) воды. Э
      Когда погрешность не грех 
      
      Создание и эксплуатация эталонов требуют и больших сооружений, и больших затрат. Мы уже говорили о многотонном фундаменте эталона килограмма, не менее "легкий" фундамент и у радиооптического моста эталона времени. При эталоне метра "состоит" пятидесятиметровый интерферо метр для поверки мерных проволок и рулеток, при эталоне звукового давления в воде - гидроакус тический бассейн с 360 тоннами деаэрированной ("безвоздушной" - без растворенного воздуха) воды. Эталон единицы плотности потока нейтронов окружен массивными бетонными стенами; эталоны напряженности электрического и магнитного полей размещаются в больших залах, оборудованных специальными поглощающими покрытиями. Уникальное помехозащитное оборудование для испытаний включает наземный фундамент в 2500 тонн, подвешенный на пружинах. 
      
      Итак, точность обходится недешево. И все же разница в погрешности между отдельными видами эталонов колоссальная - от 5.10-14 до 2,5.10-3, то есть в сто миллиардов раз. Почему? Во-первых, никто не занимается уменьшением погрешности эталонов, исходя только из научной любознательности - все определяют запросы науки и техники. Именно поэтому могут существовать уникальные экспериментальные установки, погрешность которых (во время эксперимента) меньше, чем у некоторых государственных эталонов. Со временем на базе таких установок создаются госэталоны нового поколения. 
      
      Во-вторых, метрологи сталкиваются с трудностями фундаментальными, связанными со свойствами (физической сущностью) эталонируемых величин. Например, напряженность электрического и магнитного полей необходимо измерять в свободном пространстве, создать эффект которого в помещении непросто. Еще сложнее обеспечить нужную конфигурацию поля. Поэтому погрешность эталона около одного процента считается вполне приемлемой. Не меньшие трудности встречают специалисты в области ионизирующих излучений. Заставить элементарные частицы отдать всю свою энергию в калориметре - задача принципиально невыполнимая. Приходится мириться с погрешностями, доходящими до пяти процентов. 
      
      Но вот с чем трудно мириться - с недальновидным отношением власть предержащих к метрологии, проявившимся в последние годы. Уровень эталонной базы страны определяет в конечном счете конкурентоспособность ее продукции на международном рынке, развитие науки и даже престиж государства. Бисмарк когда-то сказал: "Страна, которая не может содержать свою армию, будет содержать чужую". Без эталонов, без единства измерений не обойтись. Не будет своих эталонов, придется платить за чужие. И платить дорого.
      Новый эталон килограмма сделают из кремния 
      Первые 140 граммов вещества для нового эталона уже существуют. Это сверхчистый кремний, на 99,99% состоящий из изотопа кремния-28 
      
      
            В середине 2007 года такого кремния будет уже 5 кг. Этого хватит, чтобы сделать килограммовый шар, число атомов кремния-28 в котором будет точно известно. И тогда допотопную гирю в парижской Палате мер и весов заменит эталон, не только масса, но и число атомов в котором будут определены с предельной для сегодняшней мировой науки точностью. Впрочем, проект, разработанный Международным научно-техническим центром, должен решить не только фундаментальные задачи. Разработка технологии получения сверхчистых изотопов кремния может привести к переменам в микроэлектронике не менее революционным, чем те, что позволили заменить гигантские ЭВМ на ноутбуки, куда более мощные и быстродействующие, чем их предки величиной с трехэтажный дом. 
            Получить новый, действительно точный эталон массы ученые, а особенно физики, мечтали давно. Ведь изучение любых физических закономерностей - это в конечном итоге возможность измерить, то есть сравнить с эталоном различные физические параметры. И чем точнее эти измерения, тем более тонкие физические закономерности могут быть открыты, изучены и применены на пользу человечеству. 
            Среди множества измеряемых величин важнейшие и наиболее общие - это время, длина и масса. Эталоны массы и длины сделали больше ста лет назад в виде эталонного килограмма и эталонного метра - они хранятся в Парижском бюро мер и весов. Эталонный час определили через период вращения Земли. Но увы - оказалось, что эталоны эти нестабильны! Длина эталонного метра меняется в зависимости от условий хранения, масса эталонного килограмма уменьшается из-за истирания и испарения металла, скорость вращения Земли падает, да еще и подвержена суточным, сезонным и прочим колебаниям. 
            Часть работы выполнена, но впереди еще огромный объем. Дело в том, что в микроэлектронике химически чистый кремний получать в основном научились. Но природный кремний состоит из трех изотопов с разной, естественно, массой атомов - 28 (92%), 29 (5%) и 30 (3%) углеродных единиц. А для эталона массы атомы нужны только одинаковые! Только после получения в России изотопически-чистого кремния в Австралии сделают идеальный гладкий шар. И потом шар будут долго и тщательно проверять в Германии и Франции. Таким образом, впервые появляется возможность уточнить одну из самых фундаментальных химических величин - число Авогадро.
      Стоит заметить что для Австралии Россия изгатавливает эталон массы, хотя любой эталон - очень дорогой и выгодный артефакт. За возможность сделать его копию или провести стандартизацию своих средств по метрическим измерениям платятся очень солидные деньги!
      Два сообщения подряд одному пользователю добавлять нельзя.
      Можете отредактировать своё последнее сообщение!