Часто задаваемые вопросы о предлагаемой Пересмотренной СИ

Часто задаваемые вопросы о предлагаемой Пересмотренной СИ

Q1: Cобираются ли изменить в Пересмотренной СИ семь основных величин и единиц существующей СИ?

A1: Нет, семь основных величин и единиц останутся неизменными.

Q2: Будут ли меняться 22 связанные производные единицы со специальными названиями и обозначениями?

A2: Нет, 22 связанные производные единицы со специальными названиями и обозначениями останутся неизмененными в Пересмотренной СИ.

Q3: Будут ли изменены названия и обозначения кратных и дольных префиксов (кило- для 10³, милли- для 10^-3 и т. д.) в Пересмотренной СИ?

А3: Нет, названия и обозначения для префиксов остаются неизменными.

Q4: Изменятся ли величины каких-либо единиц в Пересмотренной СИ?

А4: Нет

Q5: В этом случае, что собираются изменить?

А5: Килограмм, кг, ампер, А, кельвин, К, и моль, моль, получат новые определения, но они будут выбраны так, что в момент изменения величины новых единиц будут идентичны величинам старых единиц.

Q6: Так в чем смысл перехода к новым определениям?

А6: Определение килограмма на основе фундаментальных физических констант обеспечит его долгосрочную стабильность и, следовательно, его надежность, которая в настоящее время под вопросом. Новые определения ампера и кельвина значительно улучшат точность измерения массы, электрических величин и радиометрической температуры. Воздействие на электрические измерения будет незамедлительным: наиболее точные электрические измерения всегда выполняются с использованием эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла, а фиксирование численных значений h и e в новых определениях единиц приведет к точно известным значениям постоянных Джозефсона и фон Клитцинга. Это устраняет имеющуюся необходимость использования традиционных электрических единиц, а не единиц СИ, для выражения результатов электрических измерений. При использовании нового определения кельвина и килограмма переводной коэффициент между измеренной радиационной и термодинамической температурой (постоянная Стефана-Больцмана) станет точным, что приведет по мере улучшения технологии, к совершенствованию метрологии температуры. Пересмотренное определение моля проще, чем современное определение, и оно поможет пользователям СИ лучше понять природу величины «количество вещества» и ее единицы, моля.

Q7: Что можно сказать относительно определений секунды, s, метра, m, и канделы, cd?

А7: Определения секунды, с, метра, м и канделы, cd, не изменятся, но способ их выражения будет пересмотрен, чтобы сделать их согласованными по форме с новыми определениями для килограмма, кг, ампера, A, кельвина, К и моля, моль.

Q8: Как можно зафиксировать значение фундаментальной константы, например h, для определения килограмма, а e – для определения ампера и т. д.? Как узнать, какое их значение зафиксировать? Что будет, если выяснится, что выбрано неправильное значение?

А8: Мы не фиксируем или не изменяем - значение любой постоянной, которая используется для определения единицы. Значения фундаментальных констант являются константами природы, и фиксируется только численное значение каждой константы, выраженной в ее единице СИ. Фиксируя ее численное значение, определяют размер величины единицы, в которой измеряется эта постоянная в настоящее время.

Пример: если c - значение скорости света, {c} - его численное значение, а [c] единица, таким образом:

c = {c} [c] = 299 792 458 м/с,

тогда значение с – это произведение числа {c} и единицы [c], и значение никогда не изменяется. При этом коэффициенты {c} и [c] могут быть выбраны разными способами, так что произведение c остается неизменным.

В 1983 году было принято решение зафиксировать число {c} точно 299 792 458, которое затем определило единицу скорости [c] = m/s (м/с). Поскольку секунда, s, уже была определена, цель заключалась в определении метра, м. Число {c} в новом определении было выбрано так, чтобы величина единицы m/s (м/с) не изменялась, тем самым обеспечивая непрерывность между новыми и старыми определениями единиц.

Q9: Правильно, на самом деле фиксируется только численное значение константы, выраженное в ее единице. Например, для килограмма можно зафиксировать численное значение {h} постоянной Планка, выраженное в ее единице [h] = кг м² с^-1. Но остается вопрос: предположим, что новый эксперимент вскоре после того, как изменится определение, дает основание предполагать, что выбрано неправильное численное значение для {h}, что тогда?

А9: После изменения масса международного прототипа килограмма (IPK), который определяет существующий килограмм, должна определяться экспериментом. Если выбрано «неправильное значение», это просто означает, что новый эксперимент говорит, что масса IPK не составляет точно 1 кг в Пересмотренной СИ.

Хотя такая ситуация может показаться проблематичной, она окажет влияние только на макроскопические измерения массы; не будут затронуты массы атомов и значения других констант, связанных с квантовой физикой. Но если бы мы сохранили существующее определение килограмма, мы бы продолжили неудовлетворительную практику применения референтной константы (т. е. массы IPK), которая, о чем свидетельствуют значительные данные, со временем изменяется по сравнению с истинным инвариантом, таким как масса атома или постоянная Планка. Хотя величина этого изменения точно неизвестна, она может составлять 1х10^-7, поскольку IPK был учрежден в качестве килограмма в 1889 году.

Преимущество нового определения заключается в том, что будет известно, что референтная константа, используемая для определения килограмма, является истинным инвариантом.

Q10: Каждая из фундаментальных констант, используемых для определения единицы, имеет неопределенность; ее значение точно не известно. Но предлагается зафиксировать ее численное значение точно. Как это можете сделать? Что произошло с неопределенностью?

А10: Настоящее определение килограмма фиксирует массу IPK в один килограмм точно с нулевой неопределенностью u_r (m_IPK) = 0. Постоянная Планка в настоящее время экспериментально определена и имеет относительную стандартную неопределенность в 1,0 х10^-8, u_r(h) = 1,0 × 10^-8

В новом определении значение h будет известно точно в его единице с нулевой неопределенностью, u^r(h) = 0. Но массу IPK пришлось бы экспериментально определить и получить относительную неопределенность примерно u^r(m_IPK) = 1,0 × 10^-8. Таким образом, в новом определении неопределенность не теряется, но она изменяется, чтобы стать неопределенностью предыдущего эталона, который больше не используется, как показано в приведенной ниже таблице.

Константа, используемая для определения килограмма	Статус неопределенности существующей СИ	Статус неопределенности Пересмотренной СИ
Масса IPK, m(K)	Точно 0	Эксперимент. 1,0 × 10-8
Постоянная Планка, h	Эксперимент. 1,0 × 10-8	Точно 0

Q11: Единица постоянной Планка равна единице действия, J s = кг м²с^-1. Как фиксируется численное значение постоянной Планка, определяющее килограмм?

А11: Фиксирование численного значения h фактически определяет единицу действия, J s = кг м²с^-1. Но если секунда, с, уже определена, фиксируют точное значение частоты сверхтонкого перехода цезия Δν^Cs и метра m, фиксируют численное значение скорости света в вакууме, c, тогда фиксирование величины единицы кг м²с^-1влияет на определение единицы кг.

Q12: Не являются ли предлагаемые определения основных единиц в Пересмотренной СИ тавтологическими определениями и поэтому неудовлетворительными?

А12: Нет, они не тавтологические. Тавтологическое определение - такое, которое использует результат определения при формулировании определения. Слова для отдельных определений основных единиц в Пересмотренной СИ указывают численное значение каждой выбранной исходной константы для определения соответствующий единицы, но это не использование результата для формулирования определения.

Q13: В пересмотренной СИ референтная константа для килограмма – это постоянная Планка h с единицей J s = кг м² с^-1. Было бы намного легче понять, имела ли референтная константа единицу массы, кг. Тогда можно было бы сказать: «килограмм это масса <чего- то>», например, масса определенного количества атомов углерода или кремния. Разве это не лучшее определение?

А13: Это в какой-то степени вопрос субъективного суждения. Однако обратите внимание, что референтная константа, используемая для определения единицы, не должна быть такой же размерностно, как и единица (хотя она может быть концептуально проще, если это справедливо). Уже используются несколько референтных констант в существующей СИ, которые имеют другую единицу для определения. Например, метр определяется с использованием в качестве исходной константы скорости света c с единицей м/с, а не указанной длины в м. Это определение не считается неудовлетворительным.

Хотя может показаться интуитивно проще, что определение килограмма, при использовании массы как референтной константы, с применением постоянной Планка, имеет другие преимущества. Например, если оба значения, h и e, точно известны, как предлагается в Пересмотренной СИ, то и обе константы Джозефсона и фон Клитцинга, K_J и R_K, точно известны с большими преимуществами для метрологии электричества.

Q14: Несмотря на ответ к вопросу Q13 выше, все еще есть люди, которые ставят под сомнение целесообразность определения килограмма, с использованием h в качестве референтного значения, а не m(¹²C). Один из аргументов, заключается в том, что в эксперименте с весами Киббла¹ (Ватт-весы, Kibble balance, (KB)) для определения h используется сложная аппаратура, которая трудна в использовании и дорога при создании, по сравнению с экспериментом с XRCD (x-ray crystal density, плотность кристалла по данным рентгеноструктурного анализа) по измерению массы атома кремния 28 и, следовательно, массы атома углерода 12. Каковы основные причины для выбора h, а не m(¹²C) в качестве референтной константы килограмма?

А14: Это действительно два несвязанных вопроса:

1. Почему выбирается h, а не m(12C) в качестве референтной константы килограмма?

2. Вопрос предполагает, что выбор h или m(¹²C) определит, будет ли килограмм реализован на практике KB-экспериментом или XRCD- экспериментом; правильно?

1. Когда численное значение константы задано фиксированным значением, впоследствии нет необходимости, в действительности невозможно, измерить константу. Например, в 1983 году, когда СИ была усовершенствована и скорость света в вакууме, с, стала референтной константой для метра, долгая история измерения c резко закончилась. Это было огромным благом для науки и техники, отчасти потому, что c присутствует во многих областях науки и техники, что каждый раз, когда происходило изменение рекомендованного СИ значения c, значения многочисленных констант и коэффициентов преобразования, связанных с c, необходимо было обновить. Решение определить численное значение c как точное было, очевидно, правильным.

Аналогично, h является фундаментальной константой квантовой физики, и, следовательно, ее значение в СИ используется во многих различных областях современной науки и технологии. Изменения рекомендуемого значения h в качестве улучшения экспериментов в лучшем случае раздражают, а в худшем случае запутывают. Обоснование для определения численного значения h аналогично таковому для определения c, но имеет особые преимущества в метрологии электричества, приведенные в A6.

m(¹²C), несомненно, является константой, и это важно, особенно для химии и физики атомов. Это происходит потому, что атомные веса (если вы химик), также известные как относительные атомные массы (если вы физик), все основаны на m(¹²C). Тем не менее, атомные веса не зависят от существующего определения килограмма и, конечно, они не будут затронуты новым определением.

2. Нет. Выбор, какая референтная константа используется для определения килограмма, не подразумевает какого-либо конкретного способа реализации килограмма, и ни один из них не упоминается в Резолюции 1 (ГКМВ, CGPM 2011). Известно, что любая реализация должна прослеживаться до h, так как h станет референтной константой в новом определении килограмма. Однако известно также, что h/m (¹²C) = Q, где Q представляет собой набор точных числовых коэффициентов и экспериментально определенных констант. Относительная стандартная неопределенность Q составляет всего 4,5 × 10^-10 на основе существующих рекомендуемых значений констант. Для реализации килограмма можно использовать устройство, например, КВ, которое измеряет эталон массы 1 кг непосредственно на основе h и вспомогательные измерения длины, времени, напряжения и сопротивления. Однако эксперимент, в котором измеряют эталон массы 1 кг на основе m(¹²C), как и в проекте XRCD, также имеет потенциал для реализации килограмма. Это связано с тем, что m(¹²C)Q = h, и, таким образом, чтобы достичь значения h посредством m(¹²C) придется пожертвовать неопределенностью Q, которая пренебрежимо мала в контексте реализации нового определения. Мы пока не знаем, будет ли преобладать один вид реализации в долгосрочной перспективе или будут ли сосуществовать разные типы. В настоящее время все подобные эксперименты являются трудоемкими и дорогостоящими.

Q15: Можно ли все еще проверить согласованность физики, если зафиксировать значения всех фундаментальных констант?

А15: фиксируются не значения всех фундаментальных констант, а только численные значения небольшой подгруппы и комбинации констант в такой подгруппе. Это приводит к изменению определений единиц, но не уравнений физики, и это не может явиться препятствием для исследователей осуществлять проверку согласованности уравнений.

Q16: Можно ли получить свой эталон массы или свой термометр, откалиброванный по Пересмотренной СИ таким же образом, как и сейчас?

А16: Да. Вы посылаете его в свой НМИ для калибровки, как и сейчас. Ваш НМИ создаст свою собственную реализацию единицы, используя новое определение, либо путем конструирования соответствующего устройства на местном уровне, либо любым другим способом, который окажется удобным, например, в случае эталона массы 1 кг, обращением в МБМВ за калибровкой. МБМВ намерено поддерживать прослеживаемость к определению килограмма через средневзвешенное значение всех доступных реализаций.

---

1 Признание изобретения ватт-весов Брайоном Кибблом