Почему у нас до сих пор нет точного (основанного на константах) определения килограмма?

Килограмм определяется прототипом («Международный прототип килограмма», IPK) — по сути, килограмм по определению представляет собой массу металлического цилиндра, находящегося в хранилище в Париже. Люди сделали кучу других металлических блоков с почти такой же массой (насколько они могли приблизиться), называемых «родственными копиями». Чтобы очень точно измерить массу в килограммах, вам нужно взять в руки IPK или одну из его родственных копий и использовать их для калибровки сверхточных весов.

Существует альтернативный подход, который планируется использовать в конечном итоге. Чтобы измерить килограмм, вам понадобятся ваттные весы, откалиброванные с использованием квантового эффекта Холла и эффекта Джозефсона, а также точное измерение местного гравитационного ускорения.

Второй подход кажется более приятным, чем первый, но [пока] не используется. Почему? (1) Первый подход фактически обеспечивает значительно большую точность и воспроизводимость. Кто бы мог подумать, что старомодные весы могут измерять с таким количеством значащих цифр или что металлический цилиндр может сохранять почти одинаковую массу на протяжении многих лет? (Ну, на самом деле он не сохраняет точнотакая же масса, одна из причин возможного переключения.) Но это так. До сих пор невозможно создать весы ватт с таким же количеством значащих цифр точности измерения массы, как в подходе-прототипе. (2) Ваттные весы — это не то, что может сделать любая старая лаборатория, вам нужны годы усилий и миллионы долларов. Даже перенос резистора по коридору может изменить его сопротивление настолько, что нарушится точность баланса ватт. Когда будет принят стандарт ватт-баланса, я сомневаюсь, что количество мест на Земле, где массы могут быть сверхточно измерены, будет больше, чем сегодня.

Насколько я понимаю, переключаемое определение позволит проводить сверхточные электрические измерения намного проще. Предполагается, что это преимущество перевешивает недостаток, заключающийся в невозможности измерения массы в килограммах так же точно, как раньше.

Я не специалист, извините за ошибки.

Пока нет, но скоро будем.

Когда этот вопрос был задан в 2012 году, процесс переопределения системы единиц СИ только начался: он был официально запущен резолюцией CGPM в 2011 году, и текущий график (pdf) находится на пути к официальному переопределению. в 2018 году. На странице Википедии, посвященной предлагаемым переопределениям , есть хорошее введение и вопрос. Каковы предлагаемые реализации в Новой СИ для килограмма, ампера, кельвина и моля? содержит много подробностей о том, что на самом деле будут означать переопределения.

В частности, килограмм будет определяться как единица массы, при которой постоянная Планка имеет точное значение$h=6.626\,069\,\mathrm{X} \times 10^{-34}\:\mathrm{J\:m^2s^{-2}}$(где последние цифры,$\mathrm{X}$, будет исправлено во время переопределения в 2018 г.). Это оставляет экспериментаторам возможность применять свои собственные эталоны масс (и фактически освобождает другие величины от строгой зависимости от самого эталона масс, так что в принципе можно было бы сделать эталон для крутящего момента или давления, скажем, который напрямую не зависит от эталона массы), но основной предлагаемой реализацией является баланс ватт, который выглядит примерно так,

^{Источник изображения: arXiv:1412.1699 , где также описывается, как построить один из них из LEGO. Забавное видео о том, как это работает .}

и который обсуждается более подробно в вопросе реализации и ссылках в нем.

Существовал альтернативный подход, проект Авогадро , основанный на создании большой блестящей сферы, состоящей из точно известного количества атомов кремния, и он прошел бы через фиксированные значения постоянной Авогадро и массы атома ²⁸ Si. Однако этот проект был отложен для переопределения моля, и баланс ватт является основным предложенным мизанпрактическим стандартом килограмма.

---

Что касается самого вопроса, вопрос о том, почему это заняло так много времени,... в основном для меня не проблема. Метрологи были заняты другими делами, и определение на основе артефактов само по себе не является проблемой, по крайней мере, концептуально. Метрология — очень прагматичная наука, и ее цель — иметь чистые, воспроизводимые и точные измерения стольких величин, которые необходимы современной науке, а концептуальная чистота здесь отходит на второй план. На самом деле есть две веские причины для изменения стандартов на определение, основанное на константах.

• Во-первых, эталон дрейфует, как это произошло с солнечной секундой, что представляет собой разрушительный шар для воспроизводимости экспериментов с точностью, превышающей скорость дрейфа.

• Другой — когда определения, основанные на константах, значительно точнее и стабильнее, чем метрологическая цепочка, основанная на артефактах, как это произошло с измерителем в 1960 г., когда предельной неопределенностью в расстоянии до Луны, скажем, была неопределенность в измерителе. стандарт.

Оба эти фактора актуальны для килограмма сегодня, но стали актуальными только недавно.

• Текущий килограмм СИ действительно (вероятно!) дрейфует, как объясняется в статье Википедии о стабильности массы IPK . Это означает, что хорошо откалиброванное измерение массы 1 кг в наши дни нельзя воспроизводимо сравнить с точно таким же измерением, проведенным пятьдесят лет назад, или, по крайней мере, с прошлым периодом.${\sim}10\:\mathrm{\mu g}$шкала. Более того, это влияет на все измерения, метрологически зависящие от эталона массы, т. е. на все измерения, чистое выражение которых в системе СИ включает килограмм. Это... не здорово.

  Тем не менее, это проблема, но это не огромная проблема. Килограмм дрейфовал в шкале примерно${\sim}10\:\mathrm{\mu g}$более века, а значит, имеет стабильность порядка$10^{-10}\textrm{ yr}^{-1}$, что на самом деле не так уж и плохо. Вероятно, пришло время изменить это, но не так много зависимых от кг измерений вплоть до десяти значащих цифр, которые намного старше одного или двух десятилетий.

• Сейчас есть более точные и стабильные способы определения массы, но они появились совсем недавно. Оказывается, трудно разработать измерения постоянной Планка с такой степенью точности и стабильности, и только с помощью технологий 21-го века нам удалось закрыть этот пробел.

  Более того, балансы старой школы оказываются на удивление точными. Как упомянул в комментарии dmckee , даже в 19 веке можно было строить аналитические весы, измеряющие${\sim}100\:\mathrm{\mu g}$различия между${\sim}2 \:\mathrm{ kg}$масс, т.е. до примерно семи значащих цифр. Метрология провела большую часть двадцатого века, совершенствуя эту технологию и перенося ее на другие механические величины. Метрология, основанная на IPK, представляет собой громадное сооружение для замены (и, по сути, большая его часть вполне может остаться в использовании, при этом только первичный стандарт изменится с переопределением, а вторичный и третичный уровни не будут затронуты).

Итак, эти причины как бы склоняют чашу весов (хар, хар) в сторону изменений, но также объясняют, почему они не являются огромным приоритетом. Метрологические лаборатории инвестируют в исследования таких вещей, как весы, потому что им нужны более точные и стабильные стандарты, а не потому, что концептуально «достаточно важно» иметь определение, основанное на константах. Инвестиции в масштабе БАК (или даже в незначительной его части) еще не оправдались, потому что метрология и так была в порядке. В настоящее время вносятся изменения, но они медленные, потому что метрология — медленная наука, требующая согласования между несколькими различными подходами и лабораториями, прежде чем что-либо будет закреплено на камне.