2018 อาจเรียกได้ว่าเป็นปีแห่งโชคชะตาในทางมาตรวิทยา เนื่องจากเป็นช่วงเวลาแห่งการปฏิวัติทางเทคโนโลยีอย่างแท้จริงในระบบสากลของหน่วยปริมาณ SI ทางกายภาพ มันเกี่ยวกับการแก้ไขคำจำกัดความของปริมาณทางกายภาพหลัก มันฝรั่งหนึ่งกิโลกรัมในซูเปอร์มาร์เก็ตจะมีน้ำหนักในรูปแบบใหม่หรือไม่? C มันฝรั่งจะเหมือนกัน อย่างอื่นจะเปลี่ยนไป
ก่อนระบบ SI
มาตรฐานทั่วไปในตุ้มน้ำหนักและตวงวัดเป็นสิ่งจำเป็นในสมัยโบราณ แต่กฎทั่วไปสำหรับการวัดนั้นมีความจำเป็นอย่างยิ่งเมื่อมีความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเข้ามา นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องพูดภาษากลาง: เท้าข้างหนึ่งมีกี่เซนติเมตร? แล้วฝรั่งเศสล่ะเซนติเมตรไม่เท่ากับอิตาลี?
ฝรั่งเศสเรียกได้ว่าเป็นทหารผ่านศึกกิตติมศักดิ์และเป็นผู้ชนะในศึกมาตรวิทยาประวัติศาสตร์ ในฝรั่งเศสในปี พ.ศ. 2334 ระบบการวัดได้รับการอนุมัติอย่างเป็นทางการและของพวกเขาหน่วยและคำจำกัดความของปริมาณทางกายภาพหลักได้รับการอธิบายและรับรองเป็นเอกสารของรัฐ
ชาวฝรั่งเศสเป็นคนแรกที่เข้าใจว่าปริมาณทางกายภาพควรผูกติดกับวัตถุธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น หนึ่งเมตรได้รับการอธิบายว่าเป็น 1/40,000,000 ของความยาวเมริเดียนจากเหนือจรดใต้ไปทางเส้นศูนย์สูตร เขาจึงผูกมัดกับขนาดเท่าโลก
หนึ่งกรัมก็เชื่อมโยงกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติเช่นกัน: ถูกกำหนดให้เป็นมวลของน้ำในลูกบาศก์เซนติเมตรที่ระดับอุณหภูมิใกล้กับศูนย์ (น้ำแข็งละลาย)
แต่ปรากฏว่าโลกไม่ได้เป็นลูกบอลที่สมบูรณ์แบบเลย และน้ำในลูกบาศก์สามารถมีคุณสมบัติที่หลากหลายได้หากมีสิ่งเจือปน ดังนั้นขนาดของปริมาณเหล่านี้ในส่วนต่าง ๆ ของโลกจึงแตกต่างกันเล็กน้อย
ในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 ชาวเยอรมันที่นำโดยนักคณิตศาสตร์ Karl Gauss ได้เข้ามาทำธุรกิจ เขาเสนอให้อัปเดตระบบหน่วยเซนติเมตร-กรัม-วินาที และตั้งแต่นั้นมาหน่วยเมตริกก็ได้เข้าสู่โลก วิทยาศาสตร์ และได้รับการยอมรับจากประชาคมระหว่างประเทศ จึงมีการสร้างระบบหน่วยปริมาณทางกายภาพระหว่างประเทศขึ้น
มีการตัดสินใจที่จะแทนที่ความยาวของเส้นเมอริเดียนและมวลของน้ำลูกบาศก์ด้วยมาตรฐานที่เก็บไว้ในสำนักชั่งและตวงวัดในปารีสโดยแจกจ่ายสำเนาไปยังประเทศที่เข้าร่วมในหน่วยเมตริก การประชุม.
น้ำหนักตัวอย่างเช่น ดูเหมือนทรงกระบอกที่ทำจากโลหะผสมของแพลตตินั่มและอิริเดียม ซึ่งท้ายที่สุดก็ไม่ได้กลายเป็นทางออกที่ดีเช่นกัน
ระบบสากลของหน่วยของปริมาณทางกายภาพ SI ก่อตั้งขึ้นในปี 1960 ตอนแรกมันรวมหกปริมาณพื้นฐาน: เมตรและความยาว กิโลกรัมและมวล เวลาเป็นวินาที ความแรงของกระแสเป็นแอมแปร์ อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์เป็นเคลวิน และความเข้มของการส่องสว่างในแคนเดลา สิบปีต่อมา มีการเพิ่มอีกหนึ่งเข้าไป - ปริมาณของสาร วัดเป็นโมล
สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่าหน่วยวัดอื่นๆ ของปริมาณทางกายภาพของระบบสากลถือเป็นอนุพันธ์ของหน่วยพื้นฐาน กล่าวคือ สามารถคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้โดยใช้ปริมาณพื้นฐานของระบบ SI
ห่างจากมาตรฐาน
มาตรฐานทางกายภาพกลับไม่ใช่ระบบการวัดที่น่าเชื่อถือที่สุด มาตรฐานกิโลกรัมและสำเนาตามประเทศจะถูกเปรียบเทียบกันเป็นระยะ การกระทบยอดแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในมวลของมาตรฐานเหล่านี้ ซึ่งเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ: ฝุ่นระหว่างการตรวจสอบ การโต้ตอบกับขาตั้ง หรืออย่างอื่น นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นความแตกต่างที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้มาเป็นเวลานาน ถึงเวลาแก้ไขพารามิเตอร์ของหน่วยปริมาณทางกายภาพของระบบสากลในมาตรวิทยาแล้ว
ดังนั้น คำจำกัดความบางอย่างของปริมาณจึงค่อยๆ เปลี่ยนไป: นักวิทยาศาสตร์พยายามหลีกหนีจากมาตรฐานทางกายภาพ ซึ่งไม่ทางใดก็ทางหนึ่งเปลี่ยนพารามิเตอร์เมื่อเวลาผ่านไป วิธีที่ดีที่สุดคือการได้มาซึ่งปริมาณในแง่ของคุณสมบัติที่ไม่เปลี่ยนรูป เช่น ความเร็วของแสงหรือการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของอะตอม
ก่อนการปฏิวัติในระบบ SI
การเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีหลักในระบบหน่วยปริมาณทางกายภาพระหว่างประเทศดำเนินการผ่านการลงคะแนนเสียงของสมาชิกของสำนักชั่งน้ำหนักและมาตรการระหว่างประเทศในการประชุมประจำปี หากได้รับการอนุมัติ การเปลี่ยนแปลงจะมีผลหลังจากไม่กี่ขั้นตอนเดือน.
ทั้งหมดนี้สำคัญมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่การวิจัยและการทดลองต้องการความแม่นยำสูงสุดในการวัดและกำหนดสูตร
มาตรฐานอ้างอิงใหม่ของปี 2018 จะช่วยให้บรรลุระดับความแม่นยำสูงสุดในการวัดใดๆ ในสถานที่ เวลา และมาตราส่วน และทั้งหมดนี้ไม่มีการสูญเสียความแม่นยำ
กำหนดปริมาณใหม่ในระบบ SI
เกี่ยวข้องกับปริมาณทางกายภาพพื้นฐานที่ทำงานอยู่สี่ในเจ็ด มีการตัดสินใจกำหนดปริมาณใหม่ดังต่อไปนี้ด้วยหน่วย:
- กิโลกรัม (มวล) โดยใช้หน่วยของค่าคงที่พลังค์ในนิพจน์
- แอมแปร์ (ปัจจุบัน) พร้อมการวัดประจุ
- kelvin (อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิก) พร้อมนิพจน์หน่วยโดยใช้ค่าคงที่ Boltzmann;
- โมลผ่านค่าคงที่ของ Avogadro (ปริมาณของสาร)
สำหรับสามปริมาณที่เหลือ ถ้อยคำของคำจำกัดความจะเปลี่ยนไป แต่สาระสำคัญจะไม่เปลี่ยนแปลง:
- เมตร (ยาว);
- วินาที (ครั้ง);
- แคนเดลา (ความเข้มของแสง).
เปลี่ยนด้วยแอมป์
แอมแปร์ที่เป็นหน่วยของปริมาณทางกายภาพในระบบ SI สากลคืออะไรในปัจจุบัน ถูกเสนอเมื่อ พ.ศ. 2489 คำจำกัดความนี้เชื่อมโยงกับความแรงของกระแสระหว่างตัวนำสองตัวในสุญญากาศที่ระยะหนึ่งเมตร ซึ่งระบุถึงความแตกต่างทั้งหมดของโครงสร้างนี้ การวัดที่ไม่ถูกต้องและยุ่งยากเป็นลักษณะสำคัญสองประการของคำจำกัดความนี้จากมุมมองของวันนี้
ในนิยามใหม่ แอมแปร์คือกระแสไฟฟ้าเท่ากับการไหลของประจุไฟฟ้าต่อวินาที หน่วยแสดงเป็นประจุอิเล็กตรอน
ในการหาค่าแอมแปร์ที่อัพเดต จำเป็นต้องใช้เครื่องมือเดียวเท่านั้น - ที่เรียกว่าปั๊มอิเล็กตรอนเดี่ยว ซึ่งสามารถเคลื่อนอิเล็กตรอนได้
ไฝใหม่และซิลิกอนบริสุทธิ์ 99.9998%
คำจำกัดความเดิมของโมลเกี่ยวข้องกับปริมาณของสสารเท่ากับจำนวนอะตอมในไอโซโทปคาร์บอนที่มีมวล 0.012 กก.
ในเวอร์ชันใหม่ นี่คือปริมาณของสารที่มีอยู่ในหน่วยโครงสร้างที่ระบุจำนวนที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ หน่วยเหล่านี้แสดงโดยใช้ค่าคงที่อโวกาโดร
ยังมีความกังวลมากมายเกี่ยวกับหมายเลขของ Avogadro ในการคำนวณ ได้มีการตัดสินใจสร้างทรงกลมของซิลิกอน-28 ไอโซโทปของซิลิกอนนี้โดดเด่นด้วยโครงผลึกที่แม่นยำเพื่อความสมบูรณ์แบบ ดังนั้นจำนวนอะตอมในนั้นจึงสามารถนับได้อย่างแม่นยำโดยใช้ระบบเลเซอร์ที่วัดเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลม
แน่นอนว่าไม่มีความแตกต่างพื้นฐานระหว่างทรงกลมซิลิกอน-28 กับโลหะผสมแพลตตินั่ม-อิริเดียมในปัจจุบัน ทั้งสิ่งนั้นและสารอื่นๆ สูญเสียอะตอมไปตามเวลา แพ้ใช่ป่ะ แต่ซิลิกอน-28 กำลังสูญเสียพวกเขาในอัตราที่คาดการณ์ได้ ดังนั้นจะมีการปรับเปลี่ยนข้อมูลอ้างอิงตลอดเวลา
ซิลิคอน-28 บริสุทธิ์ที่สุดสำหรับทรงกลมเพิ่งได้รับในสหรัฐอเมริกาเมื่อไม่นานมานี้ มีความบริสุทธิ์ 99.9998%
และตอนนี้เคลวิน
เคลวินเป็นหนึ่งในหน่วยของปริมาณทางกายภาพในระบบสากลและใช้ในการวัดระดับอุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์ "ในทางเก่า" เท่ากับ 1/273, 16ส่วนอุณหภูมิของจุดสามจุดของน้ำ จุดสามจุดของน้ำเป็นองค์ประกอบที่น่าสนใจอย่างยิ่ง นี่คือระดับอุณหภูมิและความดันที่น้ำอยู่ในสามสถานะพร้อมกัน - “ไอน้ำ น้ำแข็ง และน้ำ”
คำจำกัดความของ "ขาทั้งสองข้างเดินกะเผลก" ด้วยเหตุผลดังต่อไปนี้: ค่าของเคลวินขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของน้ำเป็นหลักโดยมีอัตราส่วนไอโซโทปที่ทราบในทางทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติ มันเป็นไปไม่ได้ที่จะได้น้ำที่มีลักษณะเช่นนี้
เคลวินใหม่จะถูกกำหนดดังนี้: หนึ่งเคลวินเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อน 1.4 × 10−23j หน่วยแสดงโดยใช้ค่าคงที่ Boltzmann ตอนนี้ระดับอุณหภูมิสามารถวัดได้โดยกำหนดความเร็วของเสียงในทรงกลมก๊าซ
กิโลกรัม ไม่รวมมาตรฐาน
เรารู้แล้วว่าในปารีสมีมาตรฐานของแพลตตินัมกับอิริเดียม ซึ่งเปลี่ยนน้ำหนักระหว่างการใช้งานในมาตรวิทยาและระบบของหน่วยปริมาณทางกายภาพ
นิยามใหม่ของกิโลกรัมคือ: หนึ่งกิโลกรัมแสดงเป็นค่าคงที่ของพลังค์หารด้วย 6.63 × 10−34 m2 · с−1.
การวัดมวลสามารถทำได้ด้วยมาตราส่วน "วัตต์" อย่าให้ชื่อหลอกคุณ นี่ไม่ใช่ตาชั่งธรรมดา แต่เป็นไฟฟ้า ซึ่งเพียงพอที่จะยกวัตถุที่วางอยู่อีกด้านของตาชั่งได้
การเปลี่ยนแปลงในหลักการของการสร้างหน่วยของปริมาณทางกายภาพและระบบโดยรวมนั้นมีความจำเป็น อย่างแรกเลย ในด้านทฤษฎีของวิทยาศาสตร์ ปัจจัยหลักในการอัพเดทระบบเป็นค่าคงที่ธรรมชาติ
นี่คือข้อสรุปเชิงตรรกะของกิจกรรมหลายปีของกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ระดับโลกที่มีความพยายามมาอย่างยาวนานเพื่อค้นหาการวัดผลในอุดมคติและคำจำกัดความของหน่วยตามกฎของฟิสิกส์พื้นฐาน
