Le Grand K سرگرم کننده بود در حالی که آن را ادامه داد، اما ثابت طبیعت برای همیشه لطفا برای. امروز نمایندگان بیش از 50 کشور در کنفرانس عمومی وزن و اندازه گیری در ورسیل، فرانسه، برای تصویب یک سیستم بین المللی سیستم واحد اصلاح شده (SI) رای دادند. گرچه اکثر ناظران بر حذف پروتوتایپ بین المللی کیلوگرم در پاریس به عنوان یک حامی استاندارد متمرکز شده اند، تغییرات اعمال شده بسیار بیشتر می شود: پایه سیستم SI از کیلوگرم و سایر واحدهای پایه که تعدادی از آنها تعاریف دلخواه یا انتزاعی، به صراحت ثابت شده است. هنگامی که سیستم جدید در تاریخ 20 مه 2019 تأسیس می شود، هر واحد SI، نه تنها کیلوگرم بلکه ولتا، نیوتن، وبر و بیشتر، از سوی برخی از ترکیبی از هفت قانون طبیعت به دست می آید.
دیوید نیول، فیزیکدان NIST در Gaithersburg، مریلند، و هماهنگ کمیته داده ها برای علوم و فناوری (CODATA) می گوید: "ما از پایه ای از تعاریف واحدهای پایه به مقادیر دقیق تعریف ثابت ها می رویم." Newell نسل بعدی SI را در یک مقاله ماه ژوئیه 2014 در Physics Today معرفی کرد.
تغییراتی که اخیرا مورد تأیید قرار گرفته است، از سال 1960 به بعد رادیکالتر از SI بود، نیازمندیهای مجموعه ای از اندازه گیری های نوآورانه برای کاهش عدم اطمینان در مقادیر ثابت هایی که در حال حاضر بر پایه سیستم هستند. اگرچه عموم مردم و حتی بیشتر محققان تحت تاثیر قرار نمی گیرند، این تغییر دقت بیشتری برای دانشمندان فراهم می کند که اندازه گیری ها را در مقیاس های شدید انجام می دهند. همچنین می تواند به فرآیندهای بهبود یافته برای شرکت های داروسازی و سایر تولید کنندگان منجر شود.
توازن NST وات
NIST-4، آخرین نسل از وات مؤسسه یا Kibble، تعادل، به metrologists خانه کمک کرد در ارزش ثابت پلانک. اعتبار: J. L. Lee / NIST
برای چندین دهه مترولوژیست ها به دنبال یک سیستم وزن و اندازه گیری بر اساس قوانین طبیعت هستند. واحد زمان SI، دوم، به نوسانات انتقال سزیم در سال 1967 متصل شد؛ متر بر پایه طول موج خطی انتشار کریپتون و سپس در سال 1983 بر سرعت نور بود. با این وجود پیوستن کیلوگرم به یک پایه اساسی با عدم اطمینان نسبت به وزن توده یک بلوک ایریدیوم پلاتین همیشه یک کار دشوار بود. نیوول می گوید: در سال 2005، زمانی که پنج رهبر در این زمینه مقاله ای در Metrologia منتشر کرده اند مبنی بر این که زمان کالیفرنیا را دوباره تعریف کرده بود، "این موجب خشم بزرگ شد." اما همچنین مردم را در مورد اینکه یک سیستم SI اصلاح شده با یک کیلوگرم جدید ممکن است شبیه باشد فکر می کند. جامعه به زودی در اطراف یک سیستم مبتنی بر هفت ثابت، با ثابت پلانک، h، به عنوان پایه گذاری برای تعیین کیلوگرم، ترکیب شده است. مقدار h در Js یا kg m2 s-1 بیان می شود.
سهم ثابت هایی که اساس SI اصلاح شده را تشکیل می دهند دقیقا شناخته شده یا تعریف شده اند: سرعت نور در یک خلاء، c؛ فرکانس انتقال بیش از حد cesium-133، ΔνCs؛ و بیشتر خودسرانه از هفت، مشخصه اثر نورانی از پرتو تک رنگ از فرکانس 540 THz، Kcd. چالش تبدیل به اندازه گیری دقیق از اتهام اولیه شد؛ ثابت بولتزمن، k؛ ثابت آووگادرو، NA؛ و h
در ابتدا چیزها هموار نبود. برای پذیرش تعریف جدید کیلوگرم، یک کمیته حاکم بر این که ارزش حداقل h با حداقل دو روش متفاوت با عدم اطمینان نسبی بیش از 50 ppb تأیید شده حداقل با سه آزمایش تایید شده است. محققان در NIST از تعادل وات استفاده می کنند که همچنین به عنوان تعادل Kibble شناخته می شود که وزن وزن یک آزمون را با نیروی تولید شده توسط جریان در حال اجرا از طریق سیم در یک میدان مغناطیسی مقابله می کند. در همین حال، پروژه بین المللی Avogadro، تقریبا کامل کروم سیلیکون 28 را تحلیل کرد تا مقدار NA را که با inversely proportional h است، بدست آورد. مقادیر محاسبه شده h با یکدیگر همخوانی نداشتند. اندازه گیری تعادل وات در آزمایشگاه ملی فیزیکی انگلستان قرار بود این اختلاف را حل کند، اما NPL به طور ناگهانی این آزمایش را لغو کرد. خوشبختانه، شورای تحقیقات ملی کانادایی، خرید و فروش سهام NPL را خریداری کرد و اندازه گیری را در سال 2012 انجام داد که وضوح بیشتری ارائه داد. اندازه گیری بهبود یافته در NIST دو سال بعد تمام سه ارزش h را به توافق رساند.
از آن زمان، محققان در h و دیگر ثابت ها متوسل شده اند. آخرین به روز رسانی منتشر شده توسط CODATA که مقادیر توصیه شده برای ثابت ها و فاکتورهای تبدیل را ارائه می دهد، داده هایی را در h از چهار وات تعادل و چهار اندازه گیری سیلیکون کروم برای رسیدن به عدم قطعیت نسبی 10 ppb در نظر می گیرد. بالاترین عدم قطعیت این است که k در 0.37ppm قابل قبول است که تقریبا پنج برابر بهبود از دو دهه قبل است.
پایه های پایه SI
ΔVCs 9 192 531 770 هرتز
c 299 792 458 m s-1
ساعت 6.626 070 15 × 10-34 J هرتز -1
e 1.602 176 634 × 10-19 C
K 1.380 649 × 10-23 J K-1
NA 6.022 140 76 × 1023 mol-1
Kcd 683 lm W-1
اکنون، پس از رای گیری امروز، این هفت ثابت با ارزش دقیق تعیین می شودعدم اطمینان احتمالی آنها صفر خواهد بود. ثابت هایی که به طور مستقیم به هفت مربوط می شود، مثلا ثابت ثابت جوزفسون که برابر با 2e / h است نیز فرض می شود که عدم اطمینان صفر باشد. عدم اطمینان برخی از ثابت های دیگر، مانند توده باقی مانده الکترون، از آنجایی که با پایه های پایه SI و ثابت های دیگر مرتبط است، کاهش می یابد (نگاه کنید به مقاله پیتر مور و بری تیلور، Physics Today، March 2001، صفحه 29). در عین حال، چندین ثابت که مرکزی برای SI Lame-duck هستند، از جمله نقطه سه گانه آب، جرم مولی کربن 12 و نمونه اولیه معروف کیلوگرم در پاریس، نامطمئن خواهد شد.
کیلوگرم و سه واحد دیگر پایه تعریف شده تعریف می شود که توسط پایه های جدید تعیین شده تعریف شده است. ampere خواهد شد به عنوان اتهامات ابتدایی در ثانیه تعریف شده، کلوین خواهد شد تغییر در انرژی حرارتی k جیال، و مول خواهد شد مقدار ماده است که حاوی نهادهای ابتدایی NA.
فراتر از تعریف های جدید، کیلوگرم، دوم، متر، آمپر، مول، کلوین و کاندلا اساسا وضعیت خاص خود را از دست می دهند. اگر چه این واحدها همچنان به عنوان واحدهای پایه معرفی می شوند، واحد های مشتق شده به اصطلاح SI نیز به طور مستقیم به پایه های پایه وابسته (نگاه کنید به نمودار زیر). این تغییر برای اندازه گیری های الکتریکی بسیار مهم است. از سال 1990 محققان به تعاریف ثابت جوزفسون و فون چسبندگی که جدا از SI هستند، بر اساس اندازه گیری های الکتریکی آن بر روی آمپر - جریان انجام شده توسط دو سیم به طور دائمی فاصله قرار می گیرند که مقدار نیروی دلخواه را تولید می کنند. حالا این مقادیر بر اساس h و e است.
ارزش SI اصلاح شده به آن مترولوژی های خارج از کشور، نقش هفت ثابت در نسبیت خاص، مکانیک کوانتومی و نظریه های دیگر است. محققان هم اکنون می توانند با استفاده از توازن وات توده ای را در مقیاس کیلوگرم اندازه گیری کنند، اما همچنین می توانند در مقیاس بسیار کوچکتر از طریق اندازه گیری های فرکانسی بازده اتمی انجام دهند؛ هر دو روش متمرکز بر مقدار دقیق دقیق h هستند. نیول می گوید: "شما از همان قوانین فیزیک همان ثابت ها را استفاده می کنید تا به صورت ذاتی به سطح مورد نیاز خود برسید." و با خلاص شدن از Le Grand K، دیگر فاکتور فتحی در تبدیل بین جرم و انرژی - یعنی بین، کیلوگرم و ولتاژ الکترون - نخواهد بود. اندازه گیری دقیق باید دقیق تر شود.
نیول همچنین انتظار دارد که تغییرات در صنعت تغییر کند. شرکت ها می توانند به طور دقیق اندازه گیری ها را در طبقه کارخانه انجام دهند تا به NIST یا سایر موسسات برای کالیبراسیون با یک استاندارد بپردازند. نیوئل می گوید که او در حال تلاش برای فروش شرکت ها در دستگاه های کالیبراسیون تولید است که NIST را از معادله می گیرند، مانند اندازه گیری قدرت لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری یا اچینگ. نیوول می گوید: "این کار ما است که خودمان را از کسب و کار بیرون کنیم."
واحدهای SI و پایه های پایه
هفت واحد پایه SI (ردیف تیره سایهدار) و 22 واحد مشتق شده (ردیفهای سایهدار) از طریق یک یا چند هفت ثابت (ستون) تعریف میشوند که مقادیر دقیق آنها تعیین میشوند. اعتبار: گرگ Stasiewicz
دیوید نیول، فیزیکدان NIST در Gaithersburg، مریلند، و هماهنگ کمیته داده ها برای علوم و فناوری (CODATA) می گوید: "ما از پایه ای از تعاریف واحدهای پایه به مقادیر دقیق تعریف ثابت ها می رویم." Newell نسل بعدی SI را در یک مقاله ماه ژوئیه 2014 در Physics Today معرفی کرد.
تغییراتی که اخیرا مورد تأیید قرار گرفته است، از سال 1960 به بعد رادیکالتر از SI بود، نیازمندیهای مجموعه ای از اندازه گیری های نوآورانه برای کاهش عدم اطمینان در مقادیر ثابت هایی که در حال حاضر بر پایه سیستم هستند. اگرچه عموم مردم و حتی بیشتر محققان تحت تاثیر قرار نمی گیرند، این تغییر دقت بیشتری برای دانشمندان فراهم می کند که اندازه گیری ها را در مقیاس های شدید انجام می دهند. همچنین می تواند به فرآیندهای بهبود یافته برای شرکت های داروسازی و سایر تولید کنندگان منجر شود.
توازن NST وات
NIST-4، آخرین نسل از وات مؤسسه یا Kibble، تعادل، به metrologists خانه کمک کرد در ارزش ثابت پلانک. اعتبار: J. L. Lee / NIST
برای چندین دهه مترولوژیست ها به دنبال یک سیستم وزن و اندازه گیری بر اساس قوانین طبیعت هستند. واحد زمان SI، دوم، به نوسانات انتقال سزیم در سال 1967 متصل شد؛ متر بر پایه طول موج خطی انتشار کریپتون و سپس در سال 1983 بر سرعت نور بود. با این وجود پیوستن کیلوگرم به یک پایه اساسی با عدم اطمینان نسبت به وزن توده یک بلوک ایریدیوم پلاتین همیشه یک کار دشوار بود. نیوول می گوید: در سال 2005، زمانی که پنج رهبر در این زمینه مقاله ای در Metrologia منتشر کرده اند مبنی بر این که زمان کالیفرنیا را دوباره تعریف کرده بود، "این موجب خشم بزرگ شد." اما همچنین مردم را در مورد اینکه یک سیستم SI اصلاح شده با یک کیلوگرم جدید ممکن است شبیه باشد فکر می کند. جامعه به زودی در اطراف یک سیستم مبتنی بر هفت ثابت، با ثابت پلانک، h، به عنوان پایه گذاری برای تعیین کیلوگرم، ترکیب شده است. مقدار h در Js یا kg m2 s-1 بیان می شود.
سهم ثابت هایی که اساس SI اصلاح شده را تشکیل می دهند دقیقا شناخته شده یا تعریف شده اند: سرعت نور در یک خلاء، c؛ فرکانس انتقال بیش از حد cesium-133، ΔνCs؛ و بیشتر خودسرانه از هفت، مشخصه اثر نورانی از پرتو تک رنگ از فرکانس 540 THz، Kcd. چالش تبدیل به اندازه گیری دقیق از اتهام اولیه شد؛ ثابت بولتزمن، k؛ ثابت آووگادرو، NA؛ و h
در ابتدا چیزها هموار نبود. برای پذیرش تعریف جدید کیلوگرم، یک کمیته حاکم بر این که ارزش حداقل h با حداقل دو روش متفاوت با عدم اطمینان نسبی بیش از 50 ppb تأیید شده حداقل با سه آزمایش تایید شده است. محققان در NIST از تعادل وات استفاده می کنند که همچنین به عنوان تعادل Kibble شناخته می شود که وزن وزن یک آزمون را با نیروی تولید شده توسط جریان در حال اجرا از طریق سیم در یک میدان مغناطیسی مقابله می کند. در همین حال، پروژه بین المللی Avogadro، تقریبا کامل کروم سیلیکون 28 را تحلیل کرد تا مقدار NA را که با inversely proportional h است، بدست آورد. مقادیر محاسبه شده h با یکدیگر همخوانی نداشتند. اندازه گیری تعادل وات در آزمایشگاه ملی فیزیکی انگلستان قرار بود این اختلاف را حل کند، اما NPL به طور ناگهانی این آزمایش را لغو کرد. خوشبختانه، شورای تحقیقات ملی کانادایی، خرید و فروش سهام NPL را خریداری کرد و اندازه گیری را در سال 2012 انجام داد که وضوح بیشتری ارائه داد. اندازه گیری بهبود یافته در NIST دو سال بعد تمام سه ارزش h را به توافق رساند.
از آن زمان، محققان در h و دیگر ثابت ها متوسل شده اند. آخرین به روز رسانی منتشر شده توسط CODATA که مقادیر توصیه شده برای ثابت ها و فاکتورهای تبدیل را ارائه می دهد، داده هایی را در h از چهار وات تعادل و چهار اندازه گیری سیلیکون کروم برای رسیدن به عدم قطعیت نسبی 10 ppb در نظر می گیرد. بالاترین عدم قطعیت این است که k در 0.37ppm قابل قبول است که تقریبا پنج برابر بهبود از دو دهه قبل است.
پایه های پایه SI
ΔVCs 9 192 531 770 هرتز
c 299 792 458 m s-1
ساعت 6.626 070 15 × 10-34 J هرتز -1
e 1.602 176 634 × 10-19 C
K 1.380 649 × 10-23 J K-1
NA 6.022 140 76 × 1023 mol-1
Kcd 683 lm W-1
اکنون، پس از رای گیری امروز، این هفت ثابت با ارزش دقیق تعیین می شودعدم اطمینان احتمالی آنها صفر خواهد بود. ثابت هایی که به طور مستقیم به هفت مربوط می شود، مثلا ثابت ثابت جوزفسون که برابر با 2e / h است نیز فرض می شود که عدم اطمینان صفر باشد. عدم اطمینان برخی از ثابت های دیگر، مانند توده باقی مانده الکترون، از آنجایی که با پایه های پایه SI و ثابت های دیگر مرتبط است، کاهش می یابد (نگاه کنید به مقاله پیتر مور و بری تیلور، Physics Today، March 2001، صفحه 29). در عین حال، چندین ثابت که مرکزی برای SI Lame-duck هستند، از جمله نقطه سه گانه آب، جرم مولی کربن 12 و نمونه اولیه معروف کیلوگرم در پاریس، نامطمئن خواهد شد.
کیلوگرم و سه واحد دیگر پایه تعریف شده تعریف می شود که توسط پایه های جدید تعیین شده تعریف شده است. ampere خواهد شد به عنوان اتهامات ابتدایی در ثانیه تعریف شده، کلوین خواهد شد تغییر در انرژی حرارتی k جیال، و مول خواهد شد مقدار ماده است که حاوی نهادهای ابتدایی NA.
فراتر از تعریف های جدید، کیلوگرم، دوم، متر، آمپر، مول، کلوین و کاندلا اساسا وضعیت خاص خود را از دست می دهند. اگر چه این واحدها همچنان به عنوان واحدهای پایه معرفی می شوند، واحد های مشتق شده به اصطلاح SI نیز به طور مستقیم به پایه های پایه وابسته (نگاه کنید به نمودار زیر). این تغییر برای اندازه گیری های الکتریکی بسیار مهم است. از سال 1990 محققان به تعاریف ثابت جوزفسون و فون چسبندگی که جدا از SI هستند، بر اساس اندازه گیری های الکتریکی آن بر روی آمپر - جریان انجام شده توسط دو سیم به طور دائمی فاصله قرار می گیرند که مقدار نیروی دلخواه را تولید می کنند. حالا این مقادیر بر اساس h و e است.
ارزش SI اصلاح شده به آن مترولوژی های خارج از کشور، نقش هفت ثابت در نسبیت خاص، مکانیک کوانتومی و نظریه های دیگر است. محققان هم اکنون می توانند با استفاده از توازن وات توده ای را در مقیاس کیلوگرم اندازه گیری کنند، اما همچنین می توانند در مقیاس بسیار کوچکتر از طریق اندازه گیری های فرکانسی بازده اتمی انجام دهند؛ هر دو روش متمرکز بر مقدار دقیق دقیق h هستند. نیول می گوید: "شما از همان قوانین فیزیک همان ثابت ها را استفاده می کنید تا به صورت ذاتی به سطح مورد نیاز خود برسید." و با خلاص شدن از Le Grand K، دیگر فاکتور فتحی در تبدیل بین جرم و انرژی - یعنی بین، کیلوگرم و ولتاژ الکترون - نخواهد بود. اندازه گیری دقیق باید دقیق تر شود.
نیول همچنین انتظار دارد که تغییرات در صنعت تغییر کند. شرکت ها می توانند به طور دقیق اندازه گیری ها را در طبقه کارخانه انجام دهند تا به NIST یا سایر موسسات برای کالیبراسیون با یک استاندارد بپردازند. نیوئل می گوید که او در حال تلاش برای فروش شرکت ها در دستگاه های کالیبراسیون تولید است که NIST را از معادله می گیرند، مانند اندازه گیری قدرت لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری یا اچینگ. نیوول می گوید: "این کار ما است که خودمان را از کسب و کار بیرون کنیم."
واحدهای SI و پایه های پایه
هفت واحد پایه SI (ردیف تیره سایهدار) و 22 واحد مشتق شده (ردیفهای سایهدار) از طریق یک یا چند هفت ثابت (ستون) تعریف میشوند که مقادیر دقیق آنها تعیین میشوند. اعتبار: گرگ Stasiewicz
- یکشنبه ۲۷ آبان ۹۷ ۱۰:۱۹
- ۵۰۳ بازديد
- ۰ نظر
