Эталоны

А в попугаях я гораздо длиннее!

Один знаменитый удав

Все наши измерения, все наши приборы опираются на эталоны. Однако не только на них, а еще на гипотезы о них и вообще об этом мире, на весь опыт физики. Говоря об эталонах, часто рассуждают об их большей или меньшей точности — но это неправильно: эталон точен по определению, мы так решили. И за нашим решением как раз и стоит опыт, физическая модель. В некоторых случаях мы уверены, что эталон — физическая константа: скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, постоянная Планка и т. д. В некоторых — мы понимаем, что это не совсем так, и отчасти знаем почему (современный эталон килограмма). В этих случаях лучше говорить «нестабильность».

Возможные причины нестабильности эталонов — интересный физический вопрос. Метрология начала с естественных эталонов (части тела человека как мера длины, зернышко растения как мера веса), потом частично перешла к искусственным (метр, килограмм), сейчас возвращается к естественным, но уже квантовым. Причины такой эволюции — погоня за стабильностью и легкостью повторения и передачи. Некоторые из этих новых эталонов намного меньше тех, с которыми обычно приходится иметь дело, поэтому необходима масштабирующая цепь устройств. Такие цепи существуют для времени и длины; для некоторых возможных и перспективных эталонов масштабирующие цепи не нужны: например, для эталона напряжения на квантовом эффекте Джозефсона и сопротивления — на квантовом эффекте Холла.

Что касается конкретных эталонов, то метр уже давно определяется не по насечкам на палке и даже не по длине волны излучения, а через секунду и скорость распространения электромагнитной волны, которой приписано точное значение.

В природе полно периодических процессов, поэтому с естественным эталоном времени проблем не было; правда, лично я взял бы не вращение Земли, а периодическое засыпание. Потому что вращается Земля или нет — мы видим только при надлежащем состоянии облачности, а спать хочется в любую погоду. Потом выяснилось, что вращается она неравномерно, и перешли к атомному эталону. А именно: постановили, что секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при температуре 0 К. Из определения видно, что период излучения заметно меньше обычно измеряемых временных интервалов, и достижением метрологии было создание системы приборов, преобразующих частоты и временные интервалы из задаваемых атомным эталоном в те, которые обычно приходится измерять.

Эталон массы — это гиря из платиноиридиевого сплава, хранящаяся под двойным колпаком и т. д. Логичен вопрос: почему не взять естественный эталон — атом? Вот уж у кого по всем современным воззрениям с постоянством массы дело обстоит хорошо. Ответ прост: потому что атом маленький, а отсчитать число Авогадро атомов — замучаешься. В пустыне Сахара всего три моля песчинок, а моль однодолларовых бумажек покрыл бы Землю, кажется, слоем в два километра толщиной. Но перейти на естественный псевдоатомный эталон хочется. Поэтому ведутся работы по созданию нового эталона массы на основе атомных свойств; размер самой единицы сохранится, так что выкидывать безмены и прочие весы не придется. Если, конечно, кто-то не «выиграет» всероссийский тендер на замену всех весов.

Эталон количества вещества — это моль. Отдельного эталона моля не существует, по определению — это количество вещества, которое содержит столько молекул (атомов, ионов), сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту — постоянная Авогадро.

В физике есть несколько разных способов определения температуры, в метрологии они все опираются на так называемую термодинамическую температуру. Это та самая, которая однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии). Она же входит в универсальный газовый закон. Шкала температур условна, и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина, Цельсия и Фаренгейта. В некоторых регионах используют более простую шкалу с тремя температурами — холодно, терпимо, жарко. Или четырьмя, как объяснил мне один из авторов нашего журнала, — в Сибири добавляют «мороз, блин». На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка — тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы цена деления шкалы Кельвина совпадала с ценой деления шкалы Цельсия (для упрощения пересчета). Другие реперные точки, которые нужны для калибровки термометров, — это точки фазовых переходов чистых веществ. Для получения промежуточных значений требуется интерполяция между этими точками, она делается термометрами сопротивления и газовым термометром. То есть опять же на основе всей физики.

Эталонами электрических величин сначала были ток (через гальванопроцесс и вес осадка) и сопротивление (через сопротивление ртутного цилиндрика), напряжение определялось законом Ома, а передавалось — особо стабильным гальваническим элементом («нормальный элемент»). Позже ампер определили через взаимодействие токов, и эталоном стали токовые весы, в которых измеряется сила притяжения между двумя катушками с «эталонируемым» током; эталоном напряжения стал нормальный элемент, а ом стали определять по Ому.

Потом перешли к квантовым стандартам: было показано, что при увеличении тока, протекающего через переход сверхпроводник — диэлектрик — сверхпроводник, облучаемый СВЧ с некоторой частотой, напряжение на переходе увеличивается не плавно, а скачками, причем величина скачка зависит от этой частоты, постоянной Планка и заряда электрона (эффект Джозефсона). Поскольку частота измеряется с высокой точностью, возникла возможность построения квантового эталона напряжения.

Далее было показано, что на переходе металл — диэлектрик — полупроводник при низких температурах имеет место квантовый эффект Холла — при увеличении магнитного поля сопротивление изменяется скачками, зависящими только от постоянной Планка и заряда электрона. Соответственно при наличии квантового эталона напряжения и тока на их основе может быть дано новое определение ампера.

Свет — это электромагнитное излучение в диапазоне непосредственного восприятия человеком. Поэтому в технике, а значит, и в метрологии ему уделяется большее внимание. Световых единиц, как известно, четыре — световой поток, сила света, светимость и яркость. С точки зрения физики никаких новых единиц и новых эталонов для описания света не нужно: это Вт, Вт/стер, Вт/м² и Вт/(м²стер), поскольку свет — это электромагнитное поле, переносящее энергию. Однако на протяжении значительной части истории техники основным прибором был глаз человека — сравнение силы света эталона и исследуемого источника проводилось «на глаз». Остальные единицы определялись через силу света, и все четыре именовались: люмен, кандела, люкс и кандела/м². Кандела эталонировалась излучением абсолютно черного тела при фиксированной температуре; потребность перевода «ваттных» единиц в оптические и обратно повлекла стандартизацию так называемой «кривой видности» — стандартной характеристики чувствительности глаза. Скоро определение канделы изменится, оно перестанет быть связано с глазом, хотя сама величина сохранится.

В заключение отметим, что бегать с каждой ученической линейкой в гости к эталону метра не удастся. Поэтому эталоны и средства измерений для любой величины представляют пирамидальную структуру высокой сложности и стоимости. На вершине находятся государственные эталоны основных величин, многомиллионные установки, изолированные комнаты, сложнейшие процедуры, ниже — рабочие эталоны разных классов, потом рабочие средства измерений и, наконец — напольные весы, на шкалу которых с трепетом смотрит лучшая часть человечества. А также деревянная линейка, на которой Вовочка выцарапывает свое мнение о Марь-Иванне. Когда она это обнаружит, его выгонят из класса, а вечером он получит ремня.