Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Выбор и построение системы единиц на основе ФФК 10
1.1. Величины, единицы и размерности 10
1.1.1 .Физические величины и системы единиц 10
1.1.2. Исторические аспекты развития систем единиц 21
1.2. Системы единиц и фундаментальные физические константы 26
1.2.1. Основные единицы СИ и фундаментальные физические константы 26
1.2.2. Естественные системы единиц физических величин и фундаментальные физические константы 30
1.3. Практическая реализация единиц физических величин в системе СИ и фундаментальные физические константы 34
1.3.1. Методология метрологии и практическая реализация некоторых единиц СИ 36
1.3.2. Особенности возможного переопределения четырех основных единиц СИ - килограмма, ампера, Кельвина и моля 44
1.3.3. Фундаментальная и практическая системы единиц 49
Глава 2. Реализация единиц СИ в соответствии с их новыми определениями . 56
2.1. Измерение времени, частоты, длины и фундаментальные физические константы 56
2.1.1. Цезиевый стандарт времени-частоты и фундаментальные физические константы 58
2.1.2. Улучшение характеристик воспроизведения и хранения единицы времени-частоты с помощью «атомных фонтанов» и оптических стандартов частоты 62
2.1.3. Абсолютная метрологическая константа - скорость света, использование «светового метра» в качестве единицы длины 66
2.2. Измерение массы и фундаментальные физические константы 70
2.3. Измерение количества вещества и фундаментальные физические константы 82
2.3.1. Определение единицы количества вещества - моля, её связь с другими физическими константами 82
2.3.2. Численное выражение единицы количества вещества число Авогадро 84
2.3.3. Современные методы определения постоянной Авогадро и перспективы повышения их точности 87
2.4. Измерение температуры и фундаментальные физические константы 96
2.4.1. Энергетический смысл температуры 97
2.4.2. Динамические основы возникновения необратимости и температура 101
2.4.3. Тройная точка воды и постоянная Больцмана 104
2.4.4. Постоянная Больцмана и единица термодинамической температуры 111
2.5. Спектрорадиометрия оптического излучения и фундаментальные физические константы - 114
2.6. Измерение электрических величин и фундаментальные физические константы 121
2.6.1. Зарождение электрических измерений 121
2.6.2. Международное сотрудничество в области единства электрических измерений 123
2.6.3.Развитие системы единиц электрических величин 125
2.6.4. Воспроизведение единиц электрических величин СИ 129
2.6.5 Квантовые эталоны единиц электрических величин 135
2.6.6 Электрические измерения и реформа СИ 146
Глава 3. Особенности процедур передачи размеров единиц при метрологическом обеспечении измерений в современных технологиях 152
3.1. Особенности использования синхротронного излучения в спектрорадиометрии 152
3.1.1. Физические основы синхротронного излучения 154
3.1.2.Использование источников синхротронного излучения в эталонах спектрорадиометрии 158
3.1.3. Диагностика электронного пучка 163
3.2. Метрологическое обеспечение нанотехнологии и наноиндустрии 166
3.2.1. От сканирующей зондовой микроскопии — к нанометрии 167
3.2.2. Разрешающая способность атомно-силового микроскопа 169
3.2.3. Составляющие бюджета неопределенности измерений сканирующего зондового микроскопа 174
3.2.4. Использование тест-объектов при калибровке средств измерений геометрических величин нанометрового диапазона 176
3.2.5. Ограничения сканирующей зондовой микроскопии и особенности нанометрологии 181
3.3. Пространственные измерения геометрических параметров поверхности 184
3.3.1. Измерения параметров формы и расположения поверхности 191
3.3.2. Измерения параметров шероховатости поверхности 197
Глава 4. Влияние нестабильности ФФК на воспроизводимость единиц измерений . 203
4.1. Обоснование набора фундаментальных физических констант 203
4.2. Исследование стабильности фундаментальных физических констант стандартной модели- 213
4.3. Исследование вариаций постоянной тонкой структуры а 224
4.3.1. Лабораторные ограничения 224
4.3.2. Геохимические ограничения 227
4.3.3. Астрофизические и космологические ограничения 229
4.3.4.,Исследование теоретических моделей, предсказывающих вариации постоянной тонкой структуры а 233
4.3:51 Возможные вариации а и метрология 238
4.4. Исследование стабильности скорости света 242
4.5. Исследование стабильности гравитационной постоянной .249
4.5.1.Измерения абсолютного значения гравитационной постоянной 249
4.5.2. Возможные временные вариации G 251
4.5.3. Исследование возможных отклонений от ньютоновского закона тяготения 255
4.6. Исследование теоретических моделей неньютоновских сил: модели мира набране 260
4:6.1. Концепция мира на бране 260
4.6.2. Модификация закона Ньютона в модели RS2 262
4:6:3. Другие модели бран в пятимерном.пространстве 263
4.6.4. Модели с несколькими,дополнительными измерениями 271
4.7. Теоретическиемоделис.временнымизариациями G 275
4.7.1. Вариация GB: модели с двумя пространствами Эйнштейна: 276
4.7.2. Временные вариации G в модели с идеальной жидкостью 279
4.8. Проекты космического и лабораторного экспериментов по измерению G и её вариаций 284
Глава 5. Организационные, экономические и образовательные проблемы перехода к новым определениям 288
5.1 Основные предпосылки мероприятий по переходу к новым определениям . 288
5:2 Проблемы практического перехода на новые определения в России.293
Заключение 296
Литература 299
- Исторические аспекты развития систем единиц
- Спектрорадиометрия оптического излучения и фундаментальные физические константы
- Обоснование набора фундаментальных физических констант
- Основные предпосылки мероприятий по переходу к новым определениям
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время международными и национальными метрологическими организациями проводится активная работа по подготовке начатого около 20 лет назад предполагаемого перехода в 2011 г. к новым определениям четырех основных единиц СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля. В Резолюциях XXII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) 2003 года и далее в Рекомендации Международного комитета мер и весов (МКМВ) 2005 г., а также Рекомендации Консультативного комитета по единицам (ККЕ) и Резолюции 12 XXIII ГКМВ, принятым в 2007 г., национальным метрологическим институтам предложено активизировать работы по всестороннему анализу проблем,, связанных с предстоящим переходом к новым определениям основных единиц СИ. Основное внимание необходимо уделить метрологическому анализу таких процедур реализации и передачи размеров основных единиц СИ, которые основаны на значениях фундаментальных физических констант (ФФК), определенных, в частности, с помощью квантовых эффектов в атомной физике, оптике и сверхпроводимости, а также исследованию проблем предстоящего перехода к новым определениям единиц СИ на основе ФФК.
Международная система единиц (СИ) включает в себя семь основных единиц: метр, килограмм, секунду, ампер, кельвин, моль и канделу, которым соответствуют семь основных величин: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Все остальные величины являются производными и образуются через основные единицы по заданным математическим правилам. При разработке определений основных единиц следует стремиться к тому, чтобы конкретная величина, используемая для определения единицы, была природным инвариантом. То есть, определения основных единиц должны быть в принципе реализуемы в любом месте, в любое время с точностью, которая необходима для практических измерений во всех областях науки и технологий, промышленности и торговли, так как необходима уверенность, что данные из самых различных сфер деятельности основаны на согласованных единицах.
Количественные характеристики всех практически используемых физических явлений в окружающем нас мире в принципе могут быть определены на основе существующих в настоящее время теорий фундаментальных взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, слабого, сильного – и значений ФФК, используемых в этих теориях. Определение ФФК зависит от сформировавшихся к данному моменту времени физических теорий. Такими теориями сегодня являются Стандартная Модель (СМ) трех фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного и слабого – вместе с теорией гравитационного взаимодействия (ОТО - общая теория относительности), которая не объединена с другими фундаментальными взаимодействиями.. Особенностью СМ является зависимость констант связи и масс фундаментальных частиц от переданных во взаимодействиях импульсов, что приводит к изменениям значений многих констант. Это интересное явление чрезвычайно важно для физики и метрологии, поэтому требуется детальное изучение его следствий. Возможные медленные изменения значений ФФК со временем и на больших масштабах длин предсказываются также обобщенными теориями гравитации и многими моделями объединения всех четырех взаимодействий.
Экспериментальные данные, из которых можно получить ограничения на временные изменения констант взаимодействий, относятся к нуклеосинтезу элементов во время Большого взрыва, электромагнитным спектрам квазаров, лабораторным поискам изменений ФФК с помощью высокоточных часов, а также к геохимическому анализу состава элементов. Проводимый в диссертации анализ данных по возможным вариациям констант взаимодействий связан как с новейшими физическими исследованиями, так и с готовящейся реформой в фундаментальной метрологии – введением новых определений основных единиц системы СИ.
Открытие в 1998 г. ускоренного расширения Вселенной привело к интенсивному исследованию космологических моделей, предсказывающих также изменение со временем гравитационной постоянной G, постоянной тонкой структуры и других ФФК. В рамках объединенных теорий вариации различных констант взаимосвязаны, что следует учитывать при интерпретации существующих и планировании будущих экспериментов по проверке возможных вариаций ФФК и их влияния на точность и стабильность эталонов физических величин.
Быстрое развитие измерительной техники, основанное на использовании квантовых физических явлений, позволяет добиться высочайших точностей определения многих ФФК. Так, например, уровень относительных стандартных неопределенностей реализации частот переходов между состояниями с фиксированной энергией атомов цезия и ионов ртути достигает 10-16. Для повышения точности и стабильности измерений необходимо переходить к квантовым стандартам (эталонам). Такой переход является основным направлением совершенствования эталонной базы метрологических организаций многих стран. Разработка, внедрение и применение квантовых стандартов единиц физических величин наивысшей точности базируется на использовании значений ФФК, таких как скорость света c, постоянная Планка h, постоянная Больцмана k, массы и заряды элементарных частиц - электрона, протона и т. д. Более того, нахождение точных значений ФФК и повышение точности реализации физических единиц взаимосвязаны.
Проблема «физика и метрология» уже давно волнует учёных всего мира. Среди них можно назвать такие имена, как: B.W. Petley, E.R. Cohen, T.J Quinn, B.N. Taylor, I. Mills, V. Kose, C. Borde, Л.Б. Окунь, С.В. Горбацевич, Н.В. Студенцов и многих других.
Таким образом, исследование фундаментальных и прикладных метрологических проблем, связанных с выбором обоснованной совокупности ФФК и природных инвариантов, необходимых для определения единиц измерений, представляет собой важную и актуальную научную задачу. Такое исследование необходимо также и с точки зрения подготовки метрологической инфраструктуры страны к переходу на новые определения единиц.
Настоящая диссертационная работа посвящена метрологическому анализу связи ФФК и основных единиц СИ, современным способам определения ФФК, развитию метрологических приложений результатов точных измерений ФФК и всестороннему исследованию проблем предстоящего перехода к новым определениям единиц СИ на основе ФФК.
Основная цель работы заключается в выборе рационального способа построения системы единиц на основе ФФК. Для её достижения решаются следующие задачи:
– анализ точности определений, природы, роли и числа ФФК;
– исследование возможных способов реализации единиц СИ в соответствии с их новыми определениями и анализ последствий предлагаемых переопределений для эталонной базы страны;
– рассмотрение особенностей передачи размеров единиц при метрологическом обеспечении измерений в современных технологиях (нанотехнологиях, прецизионном машиностроении, спектрорадиометрии, электрических измерениях);
– исследование принципов построения эталонной базы при переходе к новым определениям единиц; анализ возможности её децентрализации и перехода от системы эталонов различного уровня к системе аттестованных калибровочных лабораторий, имеющих равный статус;
– исследование возможности перехода от жёстких поверочных схем с установленной градацией погрешностей к иерархическим схемам передачи размеров единиц с прослеживаемостью до исходного калибровочного средства с указанием неопределённости результата измерений;
– исследование влияния возможной нестабильности ряда ФФК на воспроизводимость единиц измерений и проведение анализа теоретических моделей, предсказывающих переменность ФФК.
Научная новизна работы
В процессе выполнения диссертационной работы проведен анализ существующих определений единиц измерений и проблем их реализации, показано, что последовательным и неизбежным является переход от естественных эталонов, связанных с природными процессами и их характеристиками, к системе единиц, основанной на точных значениях ФФК. Проанализирована связь такой фундаментальной системы единиц с существующей системой СИ.
Проанализированы особенности двух основных методов переопределения килограмма («электрический килограмм» и «атомный килограмм») и показано, что для повышения точности определения масс атомов и ряда ФФК использование «атомного килограмма», основанного на постоянной Авогадро и атомной единице массы, более перспективно, чем ватт-весы. Для согласования нового эталона единицы массы с существующей национальной системой передачи размера этой единицы необходимо, чтобы уровень 10-9 относительной стандартной неопределенности был принципиально достижим при сравнении нового эталона с Международным прототипом килограмма.
Показана принципиальная теоретическая возможность точного определения фундаментальной физической константы – постоянной Больцмана k на основе уравнения состояния воды в термодинамическом пределе. Это свидетельствует о принципиальной возможности и полезности переопределения кельвина на основе точного значения k.
Показано, что при определении единиц физических величин через ФФК возможно и необходимо существенное изменение принципов построения эталонной базы. Вместо единственного первичного эталона какой-либо основной единицы должна возникнуть совокупность равноправных измерительных систем (эталонов) хранения размеров единицы данной физической величины.
Показана необходимость постепенного преобразования жёстких поверочных схем передачи размеров единиц от первичного эталона к различным средствам измерений через цепочку эталонов последующих уровней. Наряду с такой схемой должны создаваться схемы передачи размеров единиц непосредственно от ФФК через измерительные системы (эталоны) к исходным калибровочным средствам с указанием неопределённости результатов измерений.
Получены оценки возможных вариаций ряда ФФК в некоторых теоретических моделях и проанализировано влияние этих вариаций ФФК на стабильность единиц физических величин и их эталонов.
Практическая значимость работы
Проведённые исследования позволяют разработать систему мер по переходу России к новым определениям единиц физических величин, согласованную с международными документами, сформулировать концепцию развития эталонной базы страны.
Анализ возможных вариаций ФФК позволяет получить оценки долговременной стабильности единиц физических величин. Представленный в диссертации подход в построении моделей многомерной космологии, объясняющий ускоренное расширение нашего трёхмерного пространства при достаточно малом значении временной вариации гравитационной постоянной, может широко использоваться для непротиворечивого согласования метрологических оценок вариаций фундаментальных констант с современными данными физических наблюдений и экспериментов, что очень важно для решения задач перехода к новым определениям, основанным на ФФК.
Проведённый анализ различных вариантов переопределения основных единиц СИ даёт возможность выбора наиболее рационального в настоящее время определения этих единиц на основе фиксации точных значений ФФК.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Обоснование необходимости и возможности перехода к построению системы единиц на новом принципе – фиксации точных значений фундаментальных физических констант: скорости света, постоянной Планка, элементарного заряда, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро.
2. Преимущество введения «атомного килограмма» для повышения точности определения масс атомов и ряда ФФК, по сравнению с «электрическим килограммом».
3. Достигнутый уровень точности значения постоянной Больцмана не даёт преимуществ при переходе к новому определению кельвина.
4. Обоснование возможности перехода к новым принципам построения эталонной базы, при использовании различных вариантов переопределения основных единиц СИ.
5. Особенности системы передачи размеров единиц при фиксации точных значений ФФК.
6. Реализация воспроизведения размеров единиц спектрорадиометрии на основе ФФК методом выделения отдельного электрона в ускорителе.
7. Реализация системы передачи размеров единиц от ФФК в области измерения длины, электрических величин и спектрорадиометрии показывает правильность и эффективность применения ФФК в измерениях.
8. Оценка принципиальной значимости возможных вариаций ФФК как для метрологии, так и для физики в целом.
9. Основные положения национальной стратегии и соответствующего плана действий по переходу на новые определения единиц СИ.
Достоверность и обоснованность результатов обусловлены использованием разработанных методов теоретической и математической физики, теории измерений. В ряде случаев полученные выводы и оценки сравнивались с результатами других авторов, полученными в рамках альтернативных методов и подходов.
Личный вклад
Исследования, результатам которых посвящена диссертация, проводились в течение длительного времени автором самостоятельно и совместно с другими исследователями. В диссертацию включены результаты, полученные лично автором, а также результаты, в получение которых автор внес существенный вклад:
Постановка научной задачи подготовки метрологической инфраструктуры страны к переходу на новые определения единицы СИ.
Проведение исследования фундаментальных и прикладных метрологических проблем, связанных с выбором обоснованной совокупности ФФК, необходимых для переопределения единиц измерений.
Личное участие в реализации перехода на использование ФФК в наноизмерениях, спектрорадиометрии и измерениях электрических величин.
Апробация диссертации
Основные результаты работы опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах, в монографии «Метрология и фундаментальные физические константы», научных семинарах, международных и российских конференциях, таких как:
1) 18-я Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике, 1981, Москва, Россия.
2) VIII Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц, 1983, Протвино, Россия.
3) IX Всесоюзное совещание по ускорителям заряженных частиц, 1985, Дубна, Россия.
4) Всесоюзное совещание по синхротронному излучению (СИ-84), 1984, Новосибирск, Россия.
5) XI International Colloquium on Surfaces, February 2004, Chemnitz, Germany.
6) 3-я Международная выставка и конференция «Промышленный неразрушающий контроль», 17 марта 2004 г., Москва, Россия.
7) Международная конференция «Метрология и измерительная техника», 7-8 октября 2004 г., Харьков, Украина.
8) 9-я Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 23-25 ноября 2004 г., Москва, Россия.
9) 6th International Conference “Research and Development in Mechanical Industry” (RaDMI 2006), 13-17 September 2006, Budva, Montenegro.
10) 5-я Международная научно-техническая конференция «Метрология и измерительная техника» (Метрология-2006), 10-12 октября 2006 г., Харьков, Украина.
11) Международная научно-техническая конференция «Метрология и метрологическое обеспечение», 26-27 апреля 2007 г., Минск, Белоруссия.
12) 5th International Conference on Computer Aided Design and Manufacturing 2007.
13) 6th International Conference on Computer Aided Design and Manufacturing 2008.
14) 10-я Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и проблемы измерений» 21-25 апреля 2008 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия.
15) 13-th International Conference on gravitation, cosmology and astrophysics, June 23-28, 2008, Moscow, Russia.
16) 12-я Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ, 7-10 октября 2008 г., Москва, Россия.
Публикации
По теме диссертации опубликована одна монография, 46 печатных работ, в том числе из них 36 статей в реферируемых журналах, входящих в список ВАК, сделано 29 докладов (начиная с 1981 г.) на международных и российских конференциях и получено одно авторское свидетельство.
Объём и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации – 334 страницы, включая 22 рисунка и 6 таблиц. Приведенная библиография содержит 565 названий.
Исторические аспекты развития систем единиц
До создания метрической системы существовало огромное, количество единиц в области мер и весов, что стало мешать развитию хозяйственных отношений. Разные: меры длины и веса существовали не только в разных странах, но даже: и в разных городах, причем в рамках одного города.могли существовать десятгагразных мер длинь площади и т.д.-(см. [3], с: 23). Решающий-шаг к введению единой (метрической) системы был сделан после Французской революции. Национальное; собрание. Франции 8 мая. 1790? г." приняло решение о необходимости ликвидации разнообразия мер и поручи-/ ло Французской академии наук разработать /применимую во всем мире систему мер:-и:весов.-В! 1799 т. во Франции:была введена метрическая:система-мер и весов,.которая?послужилаїначалом созданиямсовременною Мёждуна-/ родной-системьвединиц-(СИ) / В основном эта: система: была: сформированаш 1960г. и получила свое;название-на ХГККМВ (моль, как основная: единица-, был присоединён: к СИ"в-197 Гг.
В конце XX в. сформировалось-устойчивое международное сообщество по решению принципиальных вопросов теории и практики измерений: и их метрологическому обеспечению; Практически семь, организаций постоянно работают вместе в рамках созданного в 1996 г. Объединённого Комитета по Руководствам в области метрологии (Joint Committee on Guides in; Metrology - JCGM): под эгидой Международного Бюро Мер? и Весов (МБМВ), учрежденного? Метрической Конвенцией 1875 г. Кроме МБМВ- в это сообщество/вошлш Международная. (межправительственная) организа-. цияі законодательной- метрологии; (МОЗМ), две международные организации по стандартизации. - Международная организация по стандартизации (ИСО) и Международная электротехническая комиссия (МЭК). Эти четыре организации по предложению Группы Метрологии ИСО создали в 1985 г. Международный словарь основных и общих терминов в метрологии - VIM [11]. Позднее к ним присоединились ещё три организации - Международный союз теоретической и прикладной физики (ИЮПАП), Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и Международная федерация клинической химии (ИФКК).
Все эти организации заинтересованы в достоверных измерениях установленной номенклатуры величин в своих сферах и в соответствующих единицах измерений. Но еще более важным является другой аспект этой проблемы - международный, заключающийся в обмене результатами научных исследований и всемирном развитии международных торговых отношений.
Международный комитет мер и весов еще в 1927 г. вскоре после уточнений Метрической Конвенции (1921 г.), где, в частности,.поручалось МБВМ вести «определения, касающиеся физических констант, более точное знание которых может послужить к повышению точности»1 [12], учредил Консультативный Комитет по единицам (ККЕ), который к настоящему времени подготовил и издал восемь редакций «Брошюры СИ», посвященной основным и производным единицам физических величин, образующих когерентную Международную систему единиц [13].
Международный словарь основных и общих терминов в метрологии [11] определяет" единицу измерения как «конкретную величину, определённую и принятую по соглашению, с которой сравниваются другие однородные величины для выражения их количественного значения по отношению к этой величине». Как и физические величины, единицы измерений также образуют системы основных и производных единиц, устанавливаемые в соответствии с правилами для данной системы единиц.
Однако ввиду многообразия измеряемых величин, в том числе физических, потребовались международные стандарты по величинам и их еди ницам; соотнесённым с единицами, установленными органами Метричегской Конвенции. Поэтому в 1947 г. в ИСО был создан технический коми- . тет ИСО/ТК 12 «Величины, единицы, обозначения, переводные коэффициенты»,, который начиная с 1955 г. подготовил и, опубликовал серию международных стандартов (МС) ИСО 31 (14 частей) «Величины и единицы» (общие, вопросы, пространство и время, периодические и связанные с ними явления, механика, теплота, электричество и магнетизм, свет и связанные с ним электрические измерения, акустика, физическая химия- и молекуляр ная физика, атомная и ядерная физика, ядерные реакции и ионизирующие излучения, математические знаки и обозначения для использования- ВЇ фи зических науках и технике, характеристические числа, физика твердого те- ... ла) [11,14] а также МС ИСО 1000 «Единицы СИ и рекомендации по прш менению: их десятичных икратных единиц, а также других определенных (конкретных) единиц». . M03Mj созданная в 1955:г., однйм:из своих- первых.международных: . документов. [15];, рекомендовала: странам-членам: и членам-корреспондентам; (которых;-сегодня з насчитывается-свыше: 110) перечень единиц СИ. для использованияшхфере законодательной: метрологии.
ИЮПАП в 193Г г. образовал Комиссию-по обозначениям,,единицам и номенклатуре величин (SUN), которая: в 1978 г. объединилась с; Комиссией: по атомным: массам, и: фундаментальным константам. В результате был подготовлен новый документно величинам иединицам [16] для физиков- А химики в рамках ИЮПАК через свой координационный Комитет по номенклатуре: и: обозначениям (IDCNS) издали свою специальную публикацию: ].
Совершенно: естественно, что все международные, организации основывают свои работы и документы: по величинам и единицам их:измерений на; международной1 системе (СИ), хотя и физики; и химики постоянно говорят о необходимости внесения изменений в эту систему для:отражения:их специфических интересов и достижений научно-технического прогресса. После принятия в 1960 т. XI Генеральной Конференцией по мерам и весам: Международной системы единиц в СССР был утверждён ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц (СИ)». Однако только ГОСТ 8;417-79 «Государственная система обеспечения единства измерений., Еди- . ницы физических величин», введенный после огромной работы в стране, позволил прекратить применение девяти (!) систем единиц измерения и пяти групп внесистемных единиц.
Действительно; до этого решения ситуация в стране.была достаточно сложной,, государственные стандарты являлись обязательными документами; а их несоблюдение преследовалось по закону. В; период 1927-1933 гг. Комитетом; по: стандартизации при Совете Труда и Обороны (СТО) были утвержденышервые 1 1 стандартов на единицы измерения так как к t январям 1927 г; в Советском. Союзе былазавершена.метрическая реформа; начатая декретом Совета: Народных Комиссаров 14 сентября? 1918 г. Недостатком! стандартов было то, что одна их часть основывалась на системе" МТС (метр,. тонна;.секунда),, а другая -на системе.СГС: (сантиметр; грамм,. секунда)... ...
Пбсле. ВеликошОтечественной войны в 1955-1961 гг. в соответствии: с рекомендациями международных метрологических организаций стандарты на единицы были пересмотрены, но число допущенных к применению систем; единиц возросло. Хотя преимущество получила система МКС (метр, килограмм,,секунда), наряду с ней стали применяться СГС, MKFCC (метр, килограмм-сила, секунда), МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер), симметричная система СГС, МСС (метр, секунда, свеча), система единиц тепловых величин МКСГ (метр, килограмм, секунда, градус Кельвина), кроме того, системы;единиц акустических величин,.радиоактивног сти и ионизирующих излучений;,а также целый ряд внесистемных единиц (электронвольт,,рентген; рад, кюри;.калория ит:п.).
Закон Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений» от 27 апреля 1993 г. статьёй 6 определил, что в стране в порядке, установ ленном Правительством Российской Федерации, допускаются к применению единицы; величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ), рекомендованные МОЗМ. При этом подчеркивалось,, что «могут быть допущены к применению наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин», но только по решению Правительства Российской Федерации. Исключение было сделано для экспортируемой продукции, если её заказчик установил иные единицы в договорах (контрактах).
Сохраняя» согласованность действий стран в рамках СНГ, Межгосударственный: совет по стандартизации,, метрологии и сертификации принял в 2002 г. межгосударственный стандарт 8.417-2002 «Государственная сие- ; тема обеспечения единства измерений. Единицывеличин».
Следует помнить, что; применяемая, и;практически принятая; по; соглашению І система: СИ; имеет некоторые характерные особенности, одной изжоторых является: её нерелятивистский характер
Спектрорадиометрия оптического излучения и фундаментальные физические константы
Спектрорадиометрия оптического излучения играет большую- роль для важнейших областей фундаментальной науки, экологического мони торинга, промышленного производства, медицины. В первую очередь, это - фотохимия и фотобиология, мониторинг озонного слоя Земли, исследование солнечной активности, ускоренное испытание материалов-и покрытий, фотолитография в наноэлектронике, диагностика плазмы, фототерапия и ранняя диагностика онкологических заболеваний.
Оптическое излучение составляет диапазон длин-волн электромагнитного излучения от 1 нм (граница экстремального вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена) до 1 мм, (граница диапазона терагерц и-радиодиапазона). Оптическое излучение характеризуется спектральным составом и эффективностью воздействия на физические, химические и- биологические объекты.
Методы; энергетической фотометрии или спектрорадиомётрии. подробно- и; хорошо; изложенные в работе [181],. позволяют решать разнообразные-метрологические задачи с использованиёмэталонных источников и эталонных приемников оптического излучения. Эталонными источниками-являются модели черного:.тела, электронные синхротроны иг накопительные кольца [182]. В качестве.эталонных приёмников применяют тепловые: радиометрыс электрическимзамещением иионизационные камеры..
Основной; задачей спектрорадиомётрии является-: воспроизведение; . полного; набора, физических: величин, характеризующих оптическое, излучение во? всем диапазоне: длин- волн; Это "спектральная: плотность, потока излучения Фе (Л) (мощности; излучения, лучистого потока); спектральная -.. плотность силы-излучения (Я) (энергетической;Силы света); спектральная плотность энергетической освещённости Щ, (Я)(облученности); спектраль-ная:плотностБ::энергетической:яркости,:е(/1), спектральная «плотность энерт. . гетической?экспозиции;Щ(Л). Основными.характеристиками;.приемников-: оптического излучения являются абсолютная спектральная .чувствительностью S (A);. а также; поток излучения .и энергетическая освещенность, соответствующие единичному отклику фотоприемника.
Поток излучения Фе определяется отношением! энергии 0, переносимой излучением. через поверхность, ко времени этого переноса. Измеряется; поток, излучениям в; ваттах по действию: излучениянаг неселективный: приёмник, спектральная: чувствительность SQ.) которого равна; единице: в: определённом! интервале длин -волн (/Ц,Яг):
Наиболее распространенной характеристикой оптического излучения при решении практических задач является энергетическая освещенность Ее. Она характеризует поверхностную плотность лучистого потока и определяется как отношение потока излучения, падающего на элемент поверхности, содержащей рассматриваемую точку, к площади этого элемента и имеет размерность Вт/м : Ee=d0JdA, (2.37) где d Pe — поток излучения, dA — площадь элемента поверхности. Эта величина выражается, через спектральную плотность Ее(Х) формулой вида (2.36): е = je(A) tt. (2.38)
Энергетическая освещенность измеряется с помощью радиометров, относительная спектральная чувствительность которых 5(Я) имеет постоянные значения в рабочем диапазоне длин волн (ЯіД2) и значения, равные нулю, вне его. Так. что показания радиометра Е$т пропорциональны значению энергетической, освещенности
Степень приближения реальной относительной спектральной чувствительности радиометра к стандартной оценивается по критериям, разработанным в рекомендациях МКО № 53 [183], и определяет одну из основных составляющих погрешности радиометра оптического излучения - погрешность спектральной коррекции чувствительности.
Сила излучения 1е равна отношению потока излучения, распространяющегося от источника внутри элементарного телесного угла, к значению телесного угла
Сила излучения измеряется:в Вт/ср.
Энергетическая яркость оптического излучения;Le определяется как, отношение- потока излучениям/испускаемого с элемента» поверхности., к произведению площади элемента поверхности: , телесного угла dl и ко- . синуса угла 0между направлением излучения и нормалью к поверхности:
Измеряется энергетическая яркость в Вт/(ср-м ):
Энергетическая экспозиция: Не или доза определяется интегрированием энергетической освещённости 5е по времени Г винтервалевремени-воз действияшзлучения измеряется дозиметрами оптического излучения в:, джоулях на квадратный метр (Дж/м2). ; Широкое;распространение;получили?величины позволяющие оцени-;-v: вать .характеристики? оптического излучения., с учётом селективной чувст-вительностшфизичееких;,.химических и: биологических; объектов Ж"воздей- . ствию) оптического; излучения. Наиболее часто используются фотометрические; величины; характеризующие эффективность воздействия оптичег.. ского излучения на человеческий глаз.. Такие эффективные фотометрические величины называются световыми величинами, и их единицы -включены в систему СИ.Другими распространенными характеристиками оптического излучения являются эритемная; и бактерицидная освещенность ультрафиолетового-излучения. :
Каждой из і приведенньїхі выше величин энергетической:. фотометриж. соответствует эффективная фотометрическая величина, которую можно; определить как интеграл от произведения; спектральной плотности: соответствующей-энергетической величины, характеризующей излучение; на относительную спектральную чувствительность стандартного наблюдателя
Индексом v отмечаются, эффективные фотометрические величины. Трудность определения относительной спектральной» чувствительности стан-. дартного; наблюдателя связана с субъективным и неаддитивным характером оценки эффективности оптического, излучения : Относительной спектральной чувствительностью условного приёмника света считают функцию V0 ) относительной спектральной; световой эффективности, полученную в: результате экспериментальных статистических: исследований!. Эта функция: получается: усреднением: результатов? многочисленных экспериментальных исследований: Максимальное: значе- ; ние функции; равноеединице, соответствует длине волны X = 555 нмг
Световая эффективная-освещенность v или: освещенность в точке поверхности определяется как отношение- светового потока, падающего на элемент поверхности к площади элемента Ev=dOJdA. Измеряется: освещенность в люксах (лк) и связана с энергетической соотношением Для; энергетической величины /е (силы излучения) соответствующая эффективная световая» величина - сила света7у равна отношению светового потока,, распространяющегося от источника внутри- элементарного- телесного угла;, содержащего данное направление, к телесному;углу
Обоснование набора фундаментальных физических констант
В: любой физической теорий, в основных физических законах ветре- . чаются константы, которые характеризуют стабильность различных процессов и: видов материи. Эти константы важны, так как они проявляются независимо в разных ситуациях и имеют одно.:и то же значение,- по край-. ней мере, в;пределахл ех точностей измерений, которые достигнуты, на сегодняшний день.. Более: того, на данный момент их нельзя: вычислить по другим: величинам.. Именно: поэтому их называют фундаментальными физическими: константами (ФФК). Определить .строго это понятие: и набор ФФК не представляется возможным, так как данные: константы ,, в; основном размерные ,присутствуют во?вполне определенных физических теориях; В; процессе: дальнейшего- развития; науки, некоторые; из- этих, теоришза-мёняютсяг более общими, со .своими собственными! константами;. Жршэтом; . обычно» возникают- соотношениям между старыми- и- новыми .константами
Поэтому можно говоритьше: об. абсолютном: наборе:ФФК;.а только;о:шаб6.-г ре; соответствующем современному уровню;физическойшауки:[25,26Д1:4]
В последние; десятилетия, основной тенденцией развития физики является объединение четырех известных типов взаимодействий: іравитацион-т ного, электромагнитного, слабого и; сильного [336-339].
Параметры (постоянная Хаббла, средняя плотность материи во Вселенной и космологическая постоянная); киї — постоянная Больцмана и механический эквивалент тепла. Последние в основном играют роль переводных множителей между температурой, с одной стороны, и энергией и механическими величинами — с другой, хотя, например, постоянная Больцмана к имеет большое значение в термодинамике, статистической механике, проблеме энтропии, теории черных дыр и др. После утверждения в 1960 г. нового определения метра, связанного с длиной волны света А. (а не с плати-ноиридиевым стержнем, как это было ранее), ту же роль частично играет и скорость света с (X = ct). Теперь ее можно рассматривать и как переводной множитель между единицами врем єни "(частоты) и длины, так как она определяется с абсолютной (нулевой) неопределенностью измерений. Этот набор констант сложился до 70-х годов XX века, когда основной-тенденцией было тщательное и всестороннее изучение отдельных фундаментальных физических взаимодействий.
В настоящее время, когда теория единых электрослабых взаимодействий имеет надежное экспериментальное подтверждение-в многочисленных экспериментах-с. элементарными частицами на ускорителях ш когда существуют хорошо разработанные модели ее объединения с сильными взаимодействиями, наиболее предпочтительным представляется следующий набор ФФК: /z, (с), е, те, Qm GF, Єс, Лкхд, G, Н, р (или Q), Л, к, I, где е — заряд электрона; Э — угол смешивания Вайнберга; 9с - угол Кабиб-бо; ЛКхд - размерный параметр теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамики; Q - отношение плотности энергии во Вселенной к критической плотности, определяющей тип космологической модели Фридмана: Q = 1 для модели с плоским пространством, Q 1 — для открытой модели и Q 1 — для закрытой. Видно, что во втором наборе ФФК константы, связанные с макроскопическими явлениями (гравитационная, космологические), остаются такими же, как и в первом наборе, хотя в не которых теориях объединения взаимодействий, например, многомерных, использующих идеи существования более четырех пространственно-временных измерений, они могут быть связаны друг с другом и с другими константами микрофизики (е, h, т и др.) Конечно, если будет создана объединенная теория (ОТ) всех четырех взаимодействий (а. на эту роль за последние десятилетия претендовали различные схемы - супергравитация, суперсимметрия, суперструны, а сейчас - так называемая, еще окончательно не: созданная-М-теория, включающая пять: разных типов моделей суперструн и супергравйтацию),..то, возможно, возникнет новый набор констант," связанный с.этой теорией.
. Основная проблема1в объединении четырех;; известных взаимодействий связана, именно с гравитационным- взаимодействием. До сих пор, в отличие: от других фундаментальных взаимодействий,, нет:адекватного варианта квантовой теории гравитации..Существуют и другие-проблемы [25] а именно:, проблема-сингулярного- состояния. в космологии, при; коллапсе:. сверхмассивных- объектов и,т.п.,.а-также возникшие-после: 1998;г. проблем мы;темнойг(невидимой);материи и:;темно№(невидимой)гэнергии,.связанные; с; поистине: революционными; открытиями:в наблюдательной?космологии:. Сегодня- стало, очевидно; что-знаний об окружающем нас; мире.недостаточ-но, что;данные1 наблюдений по взрывам сверхновых, по; кривым вращения-; галактик и: анизотропии реликтового фонового: излучения могут быть хог рошо описаны космологической моделью с трехмерным- плоским пространством и- с: современным: ускорением; Вселенной- при- наличии- в ней: темной материи (около-25 % полной5 плотности энергии)"и темной; энергии (около 70%). Что; такое темная материя: и. темная энергия - пока неясно, хотяг делаются; многочисленные: попытки: их, объяснения, до сих пор; не приведшиек успеху.. Возможно; мы стоим на пороге новых открытий в физике,, диктуемых поразительными: успехами современных прецизионных измерений в наблюдательной космологиии астрофизике.
Точность определения ФФК весьма различна. Одной из наиболее точно измеренных констант была скорость света в вакууме. Когда существовали отдельные эталоны единиц времени и длины (до 1983 г.), скорость света была измерена с неопределенностью порядка 10" . Сейчас она считается (по определению) заданной с нулевой неопределенностью и значением 299792458 м/с.
Микроскопические (атомные) константы е, h, т известны с неопределенностью 10"7-10"8 и имеют значения: е—1,60217653(14)-10"19 Кл, относи-тельная стандартная неопределенность 8=8,5-10"; /z=6,6260693(ll)-10" Дж-с, 5=1,7-1(Г7; те=1,67262171(29)-1(Г27 кг, 5=1,7-10"7; G- с неопределенностью 10"4 и даже более (см. далее); 9»г — порядка 10 3.
Еще более сложная ситуация возникла с космологическими константами, которые стали определять в последнее десятилетие намного точнее: Н — с неопределенностью порядка 2-3 %, среднюю плотность материи во Вселенной - с точностью до процентов, а для космологической постоянной, значение которой; относящееся к современной эпохе, ранее считалось весьма малым или даже нулевым; самые последние.оценки дают значения. (по эффективной плотности.энергии), превышающие,плотность наблюдаемой материи во-Вселенной,-хотя и одного с ней порядка. Это так называемая проблема совпадений. Осталась и другая проблема, связанная с космологической постоянной. Если последняя существует, то из квантовых со-ображений в ранней Вселенной она должна быть очень большой, в 10 раз больше, чем в настоящее время, и разумных механизмов такого ее уменьшения пока не найдено. Результаты прецизионных измерений в космологии и астрофизике лучше всего соответствуют плоской модели Фридмана с ускорением, (а не замедлением, как всегда считалось ранее), а это, в свою очередь, требует наличия либо космологической постоянной, либо особого скалярного поля (называемого квинтэссенцией) с экзотическим эффективным уравнением состояния; либо" дополнительных измерений, либо еще чего-то, что получило общее название «темная энергия», и это что-то должно составлять 70 % общей плотности энергии Вселенной. Для реализации такой- модели,,, соответствующей данным наблюдений; не хватает еще 25 % обычной материи. Таким: образом, мы. «видим и знаем» только 5% всего состава Вселенной.
Что касается-природы ФФК, томожно отметить несколько подходов к ее объяснению. Одна из; первых гипотез; принадлежит Дж. А. Уилеру: в каждом новом цикле развития Вселенной ФФК возникают заново вместе с новьімиі физическими законами, определяющими :ее эволюцию в данном цикле. Тем самым, ФФК и физические законьгсвязаны.с рождением и эволюцией Вселенной.
. Менее глобальный подход к природе размерных ФФК предполагает,. что онишеобходимьіі чтобы-сделать, физические-соотношения безразмерными, или что- они являются:мерой асимптотических состоянии. Действир-тельно; в релятивистских теориях скорость света-обычно» проявляется ВсВИ-де отношения v/c, где v - скорость объекта; г Віто же время скорости: любых,,:. тел не превышают скорости света с, так; что; она играет. роль предельной скорости.. Такошжегсмысл предельных:величинимеют;и«другие ФФК: 7z;-v минимальный! квант;действия ВчКвантовой- теории; е - минимально?:возможный шаблюдаемышзаряд,(электрона)ш1Т. п.
Наконец,, некоторые ФФК:или; их комбинациишогут рассматриваться: как естественные масштабы, характеризующие:основные единицы физиче- . скихвеличин:временщ длины, массы,, которые в принципе достаточны для описания. всех физических явлений.. Такими: масштабами»могут быть, на-пример;, планковские масштабы длины Е Ш см; массы ті 10" г и, времени Т/, 10."43 с, которые, определяются как комбинации некоторых степеней только трех, констант с, h и G, связанных,с основными физическими законами, и:теориями (Ньютона,, Максвелла, Эйнштейна, „квантовош теорией) [340]
Основные предпосылки мероприятий по переходу к новым определениям
В соответствии со Статьей 6 «Требования к единицам величин» Федерального Закона от 26 июня 2008 года № 102-ФЗ « Об обеспечении единства измерений», вступившего в силу с 30 декабря 2008 года, установлено, что в Российской Федерации применяются единицы величин СИ, принятые ГКМВ и рекомендованные к применению МОЗМ. Российский стандарт ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы физических величин» (изначально принятый в 1981 году), учитывает решения ГКМВи Международный Документ МОЗМ D2 «Узаконенные единицы измерений». Однако, Статьёй 6 предусмотрено установление наименование единиц величин, допускаемых. к применению в Российской Федерации, их "обозначений, правил написания, а также правил их применения, Правительством Российской Федерации. Эта норма абсолютно оправдана. Так, например, в Европейском Сою-. зе была принята в 1980тоду Директива 80/181/СЕЕ о сближении законодательных актов государств-членов; касающихся применяемых единиц, измерений. Последнее дополнение этой Директивы было принято 18 ноября 2008 года Европарламентом и Советом Евросоюза.
Если учесть, что в Конституции Российской Федерации эталоны отнесены Статьёй 71 пунктом «р» к федеральному ведению, а эталоны являются реализацией принятых на международном уровне определений, то ясно, что задача перехода к новым определениям непроста.для её практического воплощения.
А между тем,, на XXIII сессии Генеральной Конференции по мерам и весам (ГКМВ) в ноябре 2007 г. была принята Резолюция 12, в которой указано следующее:
«Принимая во внимание,
что в течение многих лет национальные метрологические институты (НМИ), а также Международное Бюро Мер и Весов (МБМВ) прилагали значительные- усилия по продвижению и совершенствованию Международной системы единиц (СИ) путем расширения пограничных областей метрологии с тем; чтобы основные единицы СИ могли быть определены через естественные инварианты - фундаментальные физические константы;
что из семи основных единиц СИ, только килограмм еще определяется на основе материального артефакта - международного прототипа килограмма (И ГКМВ, 1889г., III ГКМВ,Л901г.); и что определения ампера, моля и канделы зависят от килограмма;
Резолюцию 7, принятую на XXI Генеральной Конференции (1999 г.), которая рекомендовала, чтобы «национальные лаборатории не прекращали свои усилия по усовершенствованию экспериментов, привязывающих единицу массы к фундаментальным или атомным константам с целью последующего переопределения килограмма»;
значительный прогресс, достигнутый за последние годы в эксперимент тах, привязывающих массу международного прототипа к постоянной Планка И или к постоянной Авогадро 7VA;
инициативы по определению значений ряда фундаментальных констант, необходимых для определения единиц СИ, включая работу по переопределению постоянной Больцмана k%,
что в результате достижений последних лет имеются существенные предпосылки для переопределения и потенциальная польза от переопределений килограмма, ампера, кельвина и моля;
Рекомендацию 1 Международного Комитета (С 1-2005), одобренную на-его заседании в октябре 2005 г., и различные рекомендации Консультативных Комитетов по вопросу переопределения одной или более основных единиц СИ,
Отмечая:
что любые изменения в определениях единиц СИ должны ограничиваться самосогласованностью;
что желательно, чтобы определения основных единиц были бы легко понимаемы;
работу Международного Комитета и Консультативных Комитетов;
необходимость постоянного контроля результатов значимых для переопределения экспериментов;
важность запрашиваемых замечаний и сотрудничество расширенного научного и потребительского сообществ;
решение Международного Комитета в 2005 г. одобрить, в принципе, подготовку новых определений, килограмма, ампера, кельвина? и возможность переопределения моля, рекомендует национальным метрологическим институтам и МБМВ:
проводить соответствующие эксперименты, чтобы Международный Комитет мог составить мнение о возможности переопределения килограмма, ампера, кельвина и моля, используя фиксированные значения фундаментальных констант, на XXIV Генеральной Конференции (2011г.);
работать вместе с Международным Комитетом, его Консультативными Комитетами и соответствующими рабочими группами над практическими способами реализации любых новых определений, основанных на фиксированных значениях фундаментальных констант, подготовить «Практическое руководство» (mise en pratique) для каждого из них и рассмотреть самый удобный, способ объяснения, новых определений пользователям;
. инициировать кампаниипо оповещению и предупреждению- сообществ пользователей:о возможности переопределений, а также о том, что технические и законодательные последствия таких переопределений: и их. практическая реализация внимательно рассматриваются и обсуждаются и предлагает Международному Комитету к XXIV Генеральной; Конфе-. ренции в 2011 г. представить доклад по этим вопросам, и провести: все необходимые, приготовления-с; тем; ;чтобы- если эксперименты окажутся удовлетворительными: и отвечающими: запросам: пользователей, представить на XXIV Генеральную; Конференцию официальные: предложения по изменениям:в;определениях килограмма;,ампера,.кельвйна и моляг» .
МБМВ в ближайшее время подготовит письмо странам с просьбой сообщить о необходимых затратах, чтобы Президиум МКМВ в течение 2-х лет (до 24-й ГКМВ) смог оценить масштабность работы в целом, по странам и по годам перед принятием решения о переходе на новые определения. Трудность оценивания заключается в том, что аналогичная работа никогда ранее не проводилась, т.к. экономические исследования были связаны с общей ролью метрологии в экономике и социальном развитии (Материалы международного семинара, июнь 1998г., Брауншвейг) [1], с оценкой пользы законодательной метрологии для экономики и общества ( Исследование Д.Бёрча, МОЗМ, 2003т.) [2], с перспективой развития потребностей в. метрологии для промышленности, торговли и общества,( Доклад Р.Каарлса, 23-я ГКМВ, 2007г.).
В связи с этими решениями и рекомендациями в ведущих странах мира можно ожидать разворачивания работ по подготовке к переходу на новые определения единиц СИ: Естественно, что начальные условия, особенно-в создании материальной базы; различаются, значительно: Так, в США:-. (НИСТ.)" и Великобритании (НФЛ). уже созданы, ватт-весы, чем заложено-будущее- автономное:, воспроизведение-килограмма:; через постоянную-Планка;-Интенсивно, ведутся- работы вэтом направлении в МБМВ, Герма- нии-, Японии., Франции и ряде других стран, но не в России. Ведётся большой международный проект по определению постоянной Авогадро. Ведутся работы по расчётному конденсатору, по созданию абсолютных баллистических гравиметров: В то же время, планомерная подготовка, научно-технической общественности и образовательных учреждений практически нигде не начата. Пока всё ограничивается публикацией статей в. научных журналах, труднодоступных для рядового читателя..
