CC BY
36
2012, № 2
105
ПОЛЕМИЧЕСКИЕ ЗАМЕТКИ
УДК 53.081.1
С. А. Кравченко, В. П. Пиастре, А. Н. Пронин
ЧТО ОЖИДАЕТ СИСТЕМУ СИ В XXI ВЕКЕ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА
S. A. Kravchenko, V. P. Piastro, A. N. Pronin
EXPECTATIONS ABOUT THE SI SYSTEM IN XXI THE FIELD OF ELECTRICITY AND MAGNETISM
Аннотация. Рассмотрена история возникновения системы СИ. Показаны кардинальные изменения Международной системы единиц в области электричества и магнетизма. Обоснован постепенный переход к новой системе.
Abstract. In the article the history of the arising of the SI system is considered. The cardinal changes of SI system in the field of electricity and magnetism are shown. The step-by-step transition to the new system is proved.
Ключевые слова: система Си, электричество и магнетизм, постоянная Планка, элементарный заряд, обнаружение.
Key words: si system, electricity and magnetism, planck's constant, elementary charge, detection.
Со второй половины ХХ в. абсолютное преимущество в науке и технике имеет разработанная метрологическими институтами ведущих стран (ФРГ, СССР, США, Франции, Англии, Японии, Швеции и др.) в середине ХХ в. Международная система единиц измерений - система СИ (Sisteme International). До этого, в XIX в., было несколько систем единиц измерений. Для физиков и химиков наиболее подходила система единиц, предложенная в 1832 г. Гауссом, которую он назвал абсолютной - ММS - миллиметр, миллиграмм, секунда [1]. Затем ученые перешли на похожую - CGS - сантиметр, грамм, секунда. В конце XIX в. была разработана система МКС - метр, килограмм, секунда. В XX в. до 1960 г. царствовала практическая система единиц МКСА - метр, килограмм, секунда, ампер. Чтобы убрать все новые и новые системы (типа МТСА - метр, тонна, секунда, ампер) (их накопилось более 6, и они стали тормозом развития науки и техники во всех областях науки и техники), Х1 Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. приняла Международную систему единиц физических величин SI (СИ). В СССР и во всех странах-членах Совета экономической взаимопомощи (СЭВ) система СИ явилась обязательной с 1 января 1980 г. [2]. Основой ее являются:
метр - (т, м) единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды1;
килограмм - (к^, кг) единица массы международного прототипа килограмма;
секунда - (8, с) - единица времени, равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями состояния атома цезия - 133;
ампер - (А, А) - единица силы неизменного электрического тока, проходящего по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга (вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 • 10- Н);
кельвин - (К, К) - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части тройной точки воды;
кандела - (с^ кд) - единица силы света источника, испускающего излучение с частотой 540-1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/стерадиан;
радиан - (га^ рад) - единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. К системе СИ привыкли не сразу, но со временем привыкли, так как МКСА и электрочасть СИ похожи. И по ним делали расчеты, которые сходились в жизни. Потом система СИ была изменена, точнее, дополнена фундаментальными константами с квантовым эффектом Джозефсона для напряжения и квантовым эффектом Клитцинга для сопротивления [3].
В последнее время на повестку дня поставлена задача - изменение системы СИ. США «напирают», и все вроде бы подчиняются. Консультативный комитет по электричеству и магнетизму (ККЭМ) в своей рекомендации Е 1 (2007) предложил (по сути приказал) произвести кардинальные изменения Международной системы единиц (СИ) только в области электричества и магнетизма [3]. Итак, после рассмотрения различных возможных изменений СИ и связанных с ними достоинств каждого из этих изменений на основе консультаций с метрологами-специалистами в области электричества, пользователями в промышленности и другими специалистами в метрологическом сообществе ККЭМ считает:
• что определение единиц в значениях фундаментальных констант, в частности элементарного заряда «е» и постоянной Планка «к», обеспечит их долговременную стабильность и взаимосогласованность (совместимость);
• что комбинации «е» и «к» являются фундаментальными величинами в квантовых явлениях в электричестве и магнетизме;
• что существуют макроскопические квантовые эффекты, которые связывают фундаментальные константы «е» и «к» с наблюдаемыми макроскопическими явлениями;
• что воспроизведение вольта на эффекте Джозефсона, условное значение постоянной Джозефсона «К;_90» и воспроизведение Ома, используя квантовый эффект Холла и условное значение постоянной Клитцинга «Як_90», обеспечили практические, доступные, воспроизводимые, имеющие малый шум и высокую линейность эталоны во всем мире начиная с 1990 г.;
• что теория, воспроизводимость и независимость экспериментальных реализаций эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла хорошо установлены;
• что взаимосогласованность среди электроизмерений значительно улучшилась со времени введения воспроизведений вольта и Ома на эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла;
• что использование этих эталонов на квантовой основе будет продолжаться и в ближайшем будущем.
Признавая, что принятие фиксированных значений «е» и «к» может внести небольшое, но приемлемое одиночное (одноразовое) нарушение непрерывности в результаты электрических измерений в то время, когда реализуется переопределение, ККЭМ рекомендует:
1 При таком определении метра, принятом на ХУЛ Генеральной конференции МБМВ в 1983 г., длина не может считаться основной физической величиной, так как выражается через скорость и время. Эти две величины (Длина и Прототип килограмма) и определили возможный будущий распад системы СИ.
2012, № 2
107
• что СИ может быть изменена путем принятия фиксированных значений элементарного заряда «е» и постоянной Планка «к» и что это решение может быть принято в ближайшем будущем при условии, что адекватное согласие будет достигнуто при независимых экспериментах в разных странах;
• что национальные метрологические институты могут в значительной степени получать поддержку соответствующих исследований для реализации рекомендуемых здесь изменений и совершенствования наших знаний в этой научной области, обеспечивая и поддерживая по возможности наиболее консистентную систему единиц СИ;
• что значения элементарного заряда «е» и постоянной Планка «к» могут быть зафиксированы на уровне опубликованных в КОДАТА незадолго до принятия этих изменений для СИ, но округленных и представленных без соответствующих неопределенностей;
• что определения электрических единиц и их введение в действие следует пересмотреть с тем, чтобы они отражали это изменение и чтобы ККЭМ участвовал в этом процессе;
• что если концепция (понятие) базовых единиц будет сохраняться, то ампер может оставаться как базовая для целей исторической непрерывности и размерного анализа СИ, хотя для (в) самих электрических единиц нет предпочтительного порядка прослеживаемости;
• что ампер может быть определен следующим образом уже сейчас: «Ампер есть электрический ток, эквивалентный потоку элементарных зарядов (точное значение 1/1.602 176 53 х 10-19) в секунду» (из чего следует, что это определение фиксирует элементарный заряд, как точно равный 1,602 176 53 х 10-19 ампер-секунд); что это изменение в СИ может широко публиковаться и пропагандироваться для его плавного (постепенного) внедрения в сообщество измерителей и что требуется минимум один год для подготовки общественного мнения для внесения такого изменения в СИ [2]. Но вот уже прошло с того момента 5 лет, а «воз и ныне там».
Если бы мы сейчас опирались на эту новую систему СИ, то сделали бы массу ошибок, не желая их. В 1956 г. в ЛЭТИ, когда проводились опыты по химии с привлечением системы единиц С08 вместо системы МКСА, было зафиксировано большое число ошибок. С помощью системы МКСА что-то можно было проверить быстро навскидку. То, что в систему единиц заложены степени «-19» или «-24», «оторвано от жизни», навскидку не проверишь результат -он без спецрасчетов не чувствуется. Так что, дай бог (хоть его и нет), чтобы эта квантованная система единиц еще долго не входила в жизнь. К ней надо не спеша, аккуратно привыкать, чтобы не было серьезных ошибок при пользовании новой квантованной системой единиц. Например, такой случай. Закономерен вопрос: обнаружение - это что? Измерение или случайная находка? Ответ на поставленный вопрос не вполне очевиден. Обнаружение - это процесс, который в одних случаях может быть примитивно простым (например, включение контрольной лампы накаливания при проверке наличия напряжения в электрической розетке), а в других случаях - очень сложным (например, обнаружение сигналов внеземных цивилизаций или прием космического зонда, покинувшего пределы Солнечной системы). 6 сентября 2012 г. радио Ленинградской области (3 кнопка СПб трансляции) сообщило потрясающую новость: американский спутник «Вояджер», запущенный в 1972 г. (40 лет тому назад) и вышедший за пределы Солнечной системы, еще обнаруживает себя своим сигналом, живет, давая подробности полета. Это результат радиоизмерения (чтобы обнаружить сигнал «Вояджера» на фоне огромного количества всяких мешающих сигналов). Таким образом, обнаружение - это сложный вид измерений [4].
Список литературы
1. Шишкин, И. Ф. Теоретическая метрология. Ч. 1. Общая теория измерений : учеб. для вузов / И. Ф. Шишкин. - 4-е изд., испр. - СПб.: ПИТЕР, 2009. - 192 с.
2. Тюрин, Н. И. Введение в метрологию / Н. И. Тюрин. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во стандартов, 1985. - 247 с.
3. Рекомендация Е1 (2007). Предложенные изменения Международной системы СИ : препринт РТВ. - 2007. - 2 с.
4. Кравченко, С. А. Можно ли считать обнаружение измерением? / С. А. Кравченко // Мир измерений. - 2009. - № 9. - С. 13-15.
Кравченко Святослав Анатольевич
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, ВНИИ Метрологии им. Д. И. Менделеева E-mail: S.A.Kravchenko@vniim.ru
Пиастро Витольд Петрович
кандидат технических наук, начальник лаборатории, ВНИИ Метрологии им. Д. И. Менделеева E-mail: V.P.Piastro@vniim.ru
Пронин Антон Николаевич
начальник отдела,
ВНИИ Метрологии им. Д. И. Менделеева E-mail: A.N.Pronin@vniim.ru
Kravchenko Svyatoslav Anatol'evich
doctor of technical sciences, leading researcher, All-Russia Research Institute of Metrology named after D. I. Mendeleev
Piastro Vitol'd Petrovich
candidate of technical sciences, head of laboratory, All-Russia Research Institute of Metrology named after D. I. Mendeleev
Pronin Anton Nikolaevich
head of department,
All-Russia Research Institute
of Metrology named after D. I. Mendeleev
УДК 53.081.1 Кравченко, С. А.
Что ожидает систему СИ в XXI веке в области электричества и магнетизма / С. А. Кравченко, В. П. Пиастро, А. Н. Пронин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2012. -№ 2. - С. 105-108.
