Nove definicije kilograma, ampera, kelvina in mola
Redefinicija: enote mednarodnega sistema enot SI bodo po novem določene s fiksnimi naravnimi konstantami in ne bodo vezane na drugo enoto.
Odpri galerijo
Zlata utež predstavlja materializirano mero za maso, Evropska organizacija za metrologijo, EURAMET, jo podarja kot priznanje za dolgoletno delo na področju meroslovja, prejel ga je tudi prof. dr. Janko Drnovšek. FOTO: Arhiv fakultete za elektrotehniko
Prihodnje leto bodo na mednarodni ravni začele veljati spremenjene definicije kar štirih merskih enot: kilograma (kg), ampera (A), kelvina (K) in množine snovi (mol). Ugotovljeno je namreč bilo, da masa – ki je še zadnja fizikalna veličina, določena s pomočjo opredmetene mere, artefakta prakilograma v Parizu, vse druge veličine so določene s pomočjo naravnih pojavov – ni konstantna.
Ker so primerjalne meritve ostalih enakovrednih uteži enega kilograma v času, ko se čedalje bolj uveljavljajo nanodelci in nanotehnologija, pokazale velika odstopanja, na kilogram pa so vezane tudi ostale tri enote, je nastala potreba po redefiniciji mednarodnega sistema enot SI. Če so bile do zdaj te definicije povezane z določitvijo eksperimentov, ki so določali posamezno enoto, bodo po novem določene s fiksnimi naravnimi konstantami in ne bodo vezane na neko drugo enoto; to pomeni, da bodo te enote realizirane na drugačne načine, pri čemer pa metoda ne bo več enovito določena.
Kot poudarja prof. dr. Janko Drnovšek, predstojnik katedre za merjenje in robotiko na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani, se mora s tehnološkim razvojem, ki je povezan s kakovostjo našega življenja, večati tudi kakovost, točnost in zanesljivost meritev. V zgodovini so se meritve začele predvsem zaradi trgovanja in pojava denarja, ki mu je bilo treba prilagoditi odgovarjajočo substanco in ugotoviti ekvivalenco. Ker lakti, palci, komolci in koraki lokalnih vladarjev niso bili univerzalni za širše področje, je v času francoske revolucije (1789) nastala ideja, da bi bilo potrebno vzpostaviti merski sistem z desetiškimi mnogokratniki enot in univerzalne enote za ves svet. Približno sto let pozneje, leta 1875, je v Parizu 18 najrazvitejših držav podpisalo metrsko konvencijo in s tem je bil ustanovljen mednarodni meroslovni sistem, ki je začel veljati za takratni razviti svet in ga danes uporabljajo vse razvite države.
Določili so enoto dolžine meter in enoto mase kilogram v obliki pramer. »Ti enoti sta bili vezani na dimenzije zemlje, ne vedoč, da se lahko tudi zemeljski parametri, na primer poldnevnik, ali masa vode, kot primerjava s kilogramom, spreminjajo. Škotski fizik in matematik James Clerk Maxwell pa je že takrat, 1870, vizionarsko razmišljal, da bi morali enote iz makrosveta vezati na mikrosvet, torej na nespremenljive karakteristike vedno popolnoma enakih molekul,« razlaga prof. Drnovšek.
Trenutno veljavni mednarodni sistem enot SI je s tem, ko definicije enot določa s fizikalnimi konstantami, naredil še en korak naprej, pravi prof. Drnovšek. Že leta 1967, na generalni konferenci za mere in uteži v Parizu, je bila po naravni konstanti, frekvenci cezijevega atoma 133, definirana sekunda, 1983 ji je sledil še meter, ki je bil definiran na osnovi svetlobne hitrosti.
»Najbolj revolucionarno je, da redefinicije štirih omenjenih enot v realnem življenju ne spreminjajo ničesar, rešujejo pa enega od ključnih problemov – prakilogram, ki so ga naredili v času metrske konvencije in njegovih 6 kopij, ki so jih primerjali, izkazujejo spreminjajočo se razliko v masi v času od 1890 do danes. Težko je reči, ali se je spreminjal prakilogram ali njegove kopije, dejstvo je, da je razlika med njimi naraščala, kar pomeni, da zanesljiva odločitev, kdo se spreminja, prakilogram ali njegove kopije, ni možna, ker razmerja niso stabilna. To dejstvo pa vpliva na celoten svetovni sistem fizikalnih in kemijskih merjenj, ki so povezana z maso oziroma kilogramom. Treba je bilo poiskati rešitev, ki ne bi porušila vsega obstoječega sistema uporabe merskih enot in rešiti problematiko tega vrha,« razlaga prof. Drnovšek.
Letošnja generalna konferenca za mere in uteži, novembra v Parizu bo »revolucionarna« v tem, da bo potrdila fiksne vrednosti omenjenih fizikalnih konstant in nove definicije štirih enot SI, implementacija pa je predvidena prihodnje leto. Ključen znanstveni dosežek je torej v definiranju vrednosti obravnavanih fizikalnih konstant, ki so bile do sedaj podane z določeno negotovostjo in posledično niso mogle biti osnova, vsaj teoretično, absolutno točni definiciji enot SI. Ob tem pa se moramo zavedati, da sama realizacija enot, četudi na osnovi absolutno točnih fizikalnih konstant, ne more biti brez negotovosti, ker takšni eksperimenti enostavno niso mogoči.
Na fakulteti za elektrotehniko razvijajo področje merilne tehnike kot generično disciplino, ki združuje področja kemije, strojništva, elektrotehnike, medicine itd. za najširšo uporabo. Res pa je, da je na področju merilne inštrumentacije elektrotehnika nekoliko bolj izpostavljena, pravi prof. Drnovšek, ker je osnova večine današnjih merilnih inštrumentov pač vezana na elektroniko oziroma elektrotehniko oziroma širše področje fizike. Ker gre za različna področja, je tudi merilna tehnika multidisciplinarna in zahteva sodelovanje različnih disciplin, hkrati pa je tudi interdisciplinarna, kar pomeni, da se zakonitosti iz enega področja uporabljajo za reševanje problemov na drugih področjih. Na fakulteti vsako leto okoli dneva meroslovja pripravljajo dogodek Pet minut za merjenja, ki je bil letos posvečen prav redefiniciji štirih merskih enot in psihofiziološkim merjenjem, tako v humani medicini kot veterini. Prof. Drnovška veseli, da se dogodka poleg študentov udeležuje vse več srednješolcev in njihovih učiteljev, tudi osnovnošolcev, saj je največja naložba, če jim uspejo prikazati kaj novega.
Doseženo soglasje o tem, katerim pogojem je treba zadostiti, da so najprej definirane fiksne vrednosti fizikalnih konstant, in še naprej, na kakšen način redefinirati te enote, da jih lahko realizirajo kadarkoli in kjerkoli na svetu, kjer imajo za to zmogljivosti, vidi kot izjemno pomemben dosežek. Najbolj pomembno pa je, da so enote po novem določene tako, da je vsaka vezana na fizikalno konstanto in ne na neko drugo enoto. Tako bo nova definicija kilograma temeljila na fiksni numerični vrednosti Planckove konstante (h), definicija ampera na elementarnem naboju (e), definicija kelvina na Boltzmanovi konstanti (kB) in mola na Avogadrovi konstanti (NA).
Po mnenju prof. Drnovška je najlepši primer natančnosti določanje Avogadrovega števila v povezavi z molom, enoto za množino snovi. En mol snovi, kot osnovna enota sistema SI, predstavlja točno določeno število elementarnih delcev (6,023 x1023) te snovi – molekul, atomov, ionov, nevtronov, protonov itd. V tej definiciji mola torej negotovosti ni, je pa v realizaciji, tako kot v vsakem eksperimentu, pravi prof. Drnovšek: »Princip negotovosti pa sega že v čas Aristotela in drugih filozofov, ki so trdili, da vse teče in se spreminja, nikoli se ne da dvakrat stopiti v isto reko. To pomeni, da nobenega eksperimenta ni mogoče narediti dvakrat neskončno enako, mogoče ga je narediti samo približno enako, znotraj neke negotovosti.
Fizikalne konstante, s pomočjo katerih so oblikovane nove definicije enot, pa so znane brez negotovosti. To je velik dosežek in miselni preskok. Predvsem pa je pomembno tudi to, da je globalni svet razumel problematiko, se odločil za redefinicije in našel konsenz, česar na mnogih drugih, enako pomembnih področjih ni zmožen,« razlaga prof. Drnovšek.
Ali ima prakilogram v Parizu po redefiniciji sploh še kakšen pomen? Profesor odgovarja, da ima prakilogram, oziroma opredmetene mere mase na nižjih nivojih, še vedno svoje mesto in je osnova za merjenje mase, saj na trgu še ne bomo kupovali proizvodov v direktni povezavi s Planckovo konstanto, temveč v primerjavi s konkretnimi etaloni mase: »Ker živimo v realnem svetu, še vedno potrebujemo artefakte. Vendar pa bo zdaj nad prakilogramom, ki je bil na vrhu piramide, še nekaj več, to je nova definicija, ki je vezana na vatno tehtnico oziroma Avogadrov eksperiment, kjer se primerjajo električne in kemijske veličine. Tako obstaja vsa možnost, da bodo znanstveniki ugotovili, zakaj so se razmerja med prakilogram in njegovimi kopijami spreminjala oziroma bo v prihodnje mogoče zagotoviti stabilno časovno določanje mase na najvišjem nivoju. Definirane fizikalne konstante omogočajo višjo raven, kar bo omogočilo veliko višjo zanesljivost in manjšo negotovost v realizaciji dejanskih merilnih postopkov na vseh področjih. Zdaj imajo strokovnjaki več interpretacij, zakaj je prišlo do spreminjanja enote mase – kilograma, univerzalno sprejete razlage pa ni. Če bi bila sprejeta, bi bilo mogoče te fenomene toliko korigirati, da bi morda lahko iskali druge rešitve. V znanosti, tehniki in razvoju namreč nikoli ni samo ene rešitve. Nenazadnje je dilema pred francosko revolucijo o tem, da je raznolikost dolžine okončin lokalnih vladarjev globalno nesprejemljiva, sprožila razmišljanje, da je treba nekaj narediti. Vendar pa, za lažje razumevanje oziroma ponazoritev, če bi lahko z določanjem DNK zagotovili, da bi bili palci in lakti vseh vladarjev popolnoma enaki, kar bi hipotetično lahko primerjali z definiranjem fizikalne konstante, bi lahko imeli referenčno dolžino, vezano na vsakega vladarja, ki bi bila po vsem svetu enaka,« razlaga prof. Drnovšek.
Z novimi definicijami pa bo mogoče enote mednarodnega sistema enot SI univerzalno realizirati kjerkoli in kadarkoli. Do zdaj so bile uvedene enotne reference, tako imenovani mednarodni etaloni, ki so opredeljeni kot realizacija definicije dane veličine, to je dolžine (m), mase (kg), časa (s), električnega toka (A), temperature (K), množine snovi (mol) in svetilnosti (cd), z navedeno vrednostjo ter pripadajočo merilno negotovostjo. Pri tem je referenčni etalon tisti, ki je namenjen za umerjanje drugih etalonov za istovrstne veličine v dani organizaciji ali na danem kraju. To pomeni, da je na primer kilogram na najvišjem nivoju dosegljiv samo v Parizu in je potrebno s svojim nacionalnim kalibratorjem kilogramom potovati v Pariz. Zdaj pa ga bo na osnovi Planckove konstante mogoče realizirati kjerkoli na svetu, kjer so za to možnosti.
»Realizacija na osnovi univerzalne definicije, to je na temelju enakih fizikalnih konstant, na nekaj lokacijah po svetu, nam bo dala odgovor, kaj je prava vrednost kilograma in ne bomo soočeni z neznanko trenutnega gibanja njegove vrednosti, za katero vemo, da se spreminja, pa ne vemo, zakaj,« pravi profesor. In ugotavlja, da vsi pomembni znanstveni dosežki slej ko prej vplivajo na višjo kakovost življenja v družbi, četudi traja dlje časa. Kot koristni so se pokazali celo neuspešni znanstveni dosežki, ker pozneje nekdo drug ni izgubljal časa z raziskovanjem v to smer. Sklene, da je odnos do znanosti v vsaki družbi ključen odraz njene razumnosti in modrosti, ker je vložek v znanost najboljši, kar si ga je mogoče zamisliti.
Ker so primerjalne meritve ostalih enakovrednih uteži enega kilograma v času, ko se čedalje bolj uveljavljajo nanodelci in nanotehnologija, pokazale velika odstopanja, na kilogram pa so vezane tudi ostale tri enote, je nastala potreba po redefiniciji mednarodnega sistema enot SI. Če so bile do zdaj te definicije povezane z določitvijo eksperimentov, ki so določali posamezno enoto, bodo po novem določene s fiksnimi naravnimi konstantami in ne bodo vezane na neko drugo enoto; to pomeni, da bodo te enote realizirane na drugačne načine, pri čemer pa metoda ne bo več enovito določena.
Zemeljski parametri se spreminjajo
Kot poudarja prof. dr. Janko Drnovšek, predstojnik katedre za merjenje in robotiko na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani, se mora s tehnološkim razvojem, ki je povezan s kakovostjo našega življenja, večati tudi kakovost, točnost in zanesljivost meritev. V zgodovini so se meritve začele predvsem zaradi trgovanja in pojava denarja, ki mu je bilo treba prilagoditi odgovarjajočo substanco in ugotoviti ekvivalenco. Ker lakti, palci, komolci in koraki lokalnih vladarjev niso bili univerzalni za širše področje, je v času francoske revolucije (1789) nastala ideja, da bi bilo potrebno vzpostaviti merski sistem z desetiškimi mnogokratniki enot in univerzalne enote za ves svet. Približno sto let pozneje, leta 1875, je v Parizu 18 najrazvitejših držav podpisalo metrsko konvencijo in s tem je bil ustanovljen mednarodni meroslovni sistem, ki je začel veljati za takratni razviti svet in ga danes uporabljajo vse razvite države.
Določili so enoto dolžine meter in enoto mase kilogram v obliki pramer. »Ti enoti sta bili vezani na dimenzije zemlje, ne vedoč, da se lahko tudi zemeljski parametri, na primer poldnevnik, ali masa vode, kot primerjava s kilogramom, spreminjajo. Škotski fizik in matematik James Clerk Maxwell pa je že takrat, 1870, vizionarsko razmišljal, da bi morali enote iz makrosveta vezati na mikrosvet, torej na nespremenljive karakteristike vedno popolnoma enakih molekul,« razlaga prof. Drnovšek.
Nestabilen prakilogram
Trenutno veljavni mednarodni sistem enot SI je s tem, ko definicije enot določa s fizikalnimi konstantami, naredil še en korak naprej, pravi prof. Drnovšek. Že leta 1967, na generalni konferenci za mere in uteži v Parizu, je bila po naravni konstanti, frekvenci cezijevega atoma 133, definirana sekunda, 1983 ji je sledil še meter, ki je bil definiran na osnovi svetlobne hitrosti.
»Najbolj revolucionarno je, da redefinicije štirih omenjenih enot v realnem življenju ne spreminjajo ničesar, rešujejo pa enega od ključnih problemov – prakilogram, ki so ga naredili v času metrske konvencije in njegovih 6 kopij, ki so jih primerjali, izkazujejo spreminjajočo se razliko v masi v času od 1890 do danes. Težko je reči, ali se je spreminjal prakilogram ali njegove kopije, dejstvo je, da je razlika med njimi naraščala, kar pomeni, da zanesljiva odločitev, kdo se spreminja, prakilogram ali njegove kopije, ni možna, ker razmerja niso stabilna. To dejstvo pa vpliva na celoten svetovni sistem fizikalnih in kemijskih merjenj, ki so povezana z maso oziroma kilogramom. Treba je bilo poiskati rešitev, ki ne bi porušila vsega obstoječega sistema uporabe merskih enot in rešiti problematiko tega vrha,« razlaga prof. Drnovšek.
Letošnja generalna konferenca za mere in uteži, novembra v Parizu bo »revolucionarna« v tem, da bo potrdila fiksne vrednosti omenjenih fizikalnih konstant in nove definicije štirih enot SI, implementacija pa je predvidena prihodnje leto. Ključen znanstveni dosežek je torej v definiranju vrednosti obravnavanih fizikalnih konstant, ki so bile do sedaj podane z določeno negotovostjo in posledično niso mogle biti osnova, vsaj teoretično, absolutno točni definiciji enot SI. Ob tem pa se moramo zavedati, da sama realizacija enot, četudi na osnovi absolutno točnih fizikalnih konstant, ne more biti brez negotovosti, ker takšni eksperimenti enostavno niso mogoči.
Pet minut za merjenja
Na fakulteti za elektrotehniko razvijajo področje merilne tehnike kot generično disciplino, ki združuje področja kemije, strojništva, elektrotehnike, medicine itd. za najširšo uporabo. Res pa je, da je na področju merilne inštrumentacije elektrotehnika nekoliko bolj izpostavljena, pravi prof. Drnovšek, ker je osnova večine današnjih merilnih inštrumentov pač vezana na elektroniko oziroma elektrotehniko oziroma širše področje fizike. Ker gre za različna področja, je tudi merilna tehnika multidisciplinarna in zahteva sodelovanje različnih disciplin, hkrati pa je tudi interdisciplinarna, kar pomeni, da se zakonitosti iz enega področja uporabljajo za reševanje problemov na drugih področjih. Na fakulteti vsako leto okoli dneva meroslovja pripravljajo dogodek Pet minut za merjenja, ki je bil letos posvečen prav redefiniciji štirih merskih enot in psihofiziološkim merjenjem, tako v humani medicini kot veterini. Prof. Drnovška veseli, da se dogodka poleg študentov udeležuje vse več srednješolcev in njihovih učiteljev, tudi osnovnošolcev, saj je največja naložba, če jim uspejo prikazati kaj novega.
Soglasje je pomemben dosežek
Doseženo soglasje o tem, katerim pogojem je treba zadostiti, da so najprej definirane fiksne vrednosti fizikalnih konstant, in še naprej, na kakšen način redefinirati te enote, da jih lahko realizirajo kadarkoli in kjerkoli na svetu, kjer imajo za to zmogljivosti, vidi kot izjemno pomemben dosežek. Najbolj pomembno pa je, da so enote po novem določene tako, da je vsaka vezana na fizikalno konstanto in ne na neko drugo enoto. Tako bo nova definicija kilograma temeljila na fiksni numerični vrednosti Planckove konstante (h), definicija ampera na elementarnem naboju (e), definicija kelvina na Boltzmanovi konstanti (kB) in mola na Avogadrovi konstanti (NA).
Vse teče in se spreminja
Po mnenju prof. Drnovška je najlepši primer natančnosti določanje Avogadrovega števila v povezavi z molom, enoto za množino snovi. En mol snovi, kot osnovna enota sistema SI, predstavlja točno določeno število elementarnih delcev (6,023 x1023) te snovi – molekul, atomov, ionov, nevtronov, protonov itd. V tej definiciji mola torej negotovosti ni, je pa v realizaciji, tako kot v vsakem eksperimentu, pravi prof. Drnovšek: »Princip negotovosti pa sega že v čas Aristotela in drugih filozofov, ki so trdili, da vse teče in se spreminja, nikoli se ne da dvakrat stopiti v isto reko. To pomeni, da nobenega eksperimenta ni mogoče narediti dvakrat neskončno enako, mogoče ga je narediti samo približno enako, znotraj neke negotovosti.
Fizikalne konstante, s pomočjo katerih so oblikovane nove definicije enot, pa so znane brez negotovosti. To je velik dosežek in miselni preskok. Predvsem pa je pomembno tudi to, da je globalni svet razumel problematiko, se odločil za redefinicije in našel konsenz, česar na mnogih drugih, enako pomembnih področjih ni zmožen,« razlaga prof. Drnovšek.
»Tehtanje« s Planckovo konstanto
Ali ima prakilogram v Parizu po redefiniciji sploh še kakšen pomen? Profesor odgovarja, da ima prakilogram, oziroma opredmetene mere mase na nižjih nivojih, še vedno svoje mesto in je osnova za merjenje mase, saj na trgu še ne bomo kupovali proizvodov v direktni povezavi s Planckovo konstanto, temveč v primerjavi s konkretnimi etaloni mase: »Ker živimo v realnem svetu, še vedno potrebujemo artefakte. Vendar pa bo zdaj nad prakilogramom, ki je bil na vrhu piramide, še nekaj več, to je nova definicija, ki je vezana na vatno tehtnico oziroma Avogadrov eksperiment, kjer se primerjajo električne in kemijske veličine. Tako obstaja vsa možnost, da bodo znanstveniki ugotovili, zakaj so se razmerja med prakilogram in njegovimi kopijami spreminjala oziroma bo v prihodnje mogoče zagotoviti stabilno časovno določanje mase na najvišjem nivoju. Definirane fizikalne konstante omogočajo višjo raven, kar bo omogočilo veliko višjo zanesljivost in manjšo negotovost v realizaciji dejanskih merilnih postopkov na vseh področjih. Zdaj imajo strokovnjaki več interpretacij, zakaj je prišlo do spreminjanja enote mase – kilograma, univerzalno sprejete razlage pa ni. Če bi bila sprejeta, bi bilo mogoče te fenomene toliko korigirati, da bi morda lahko iskali druge rešitve. V znanosti, tehniki in razvoju namreč nikoli ni samo ene rešitve. Nenazadnje je dilema pred francosko revolucijo o tem, da je raznolikost dolžine okončin lokalnih vladarjev globalno nesprejemljiva, sprožila razmišljanje, da je treba nekaj narediti. Vendar pa, za lažje razumevanje oziroma ponazoritev, če bi lahko z določanjem DNK zagotovili, da bi bili palci in lakti vseh vladarjev popolnoma enaki, kar bi hipotetično lahko primerjali z definiranjem fizikalne konstante, bi lahko imeli referenčno dolžino, vezano na vsakega vladarja, ki bi bila po vsem svetu enaka,« razlaga prof. Drnovšek.
Laboratorij za metrologijo in kakovost je nosilec nacionalnega etalona za termodinamsko temperaturo kelvin. S svojimi merilnimi zmogljivostmi je med najboljšimi v Evropi in svetu. Trojna točka vode, ki jo drži prof. dr. Janko Drnovšek, in je osnova d
Ne bo več treba v Pariz
Z novimi definicijami pa bo mogoče enote mednarodnega sistema enot SI univerzalno realizirati kjerkoli in kadarkoli. Do zdaj so bile uvedene enotne reference, tako imenovani mednarodni etaloni, ki so opredeljeni kot realizacija definicije dane veličine, to je dolžine (m), mase (kg), časa (s), električnega toka (A), temperature (K), množine snovi (mol) in svetilnosti (cd), z navedeno vrednostjo ter pripadajočo merilno negotovostjo. Pri tem je referenčni etalon tisti, ki je namenjen za umerjanje drugih etalonov za istovrstne veličine v dani organizaciji ali na danem kraju. To pomeni, da je na primer kilogram na najvišjem nivoju dosegljiv samo v Parizu in je potrebno s svojim nacionalnim kalibratorjem kilogramom potovati v Pariz. Zdaj pa ga bo na osnovi Planckove konstante mogoče realizirati kjerkoli na svetu, kjer so za to možnosti.
»Realizacija na osnovi univerzalne definicije, to je na temelju enakih fizikalnih konstant, na nekaj lokacijah po svetu, nam bo dala odgovor, kaj je prava vrednost kilograma in ne bomo soočeni z neznanko trenutnega gibanja njegove vrednosti, za katero vemo, da se spreminja, pa ne vemo, zakaj,« pravi profesor. In ugotavlja, da vsi pomembni znanstveni dosežki slej ko prej vplivajo na višjo kakovost življenja v družbi, četudi traja dlje časa. Kot koristni so se pokazali celo neuspešni znanstveni dosežki, ker pozneje nekdo drug ni izgubljal časa z raziskovanjem v to smer. Sklene, da je odnos do znanosti v vsaki družbi ključen odraz njene razumnosti in modrosti, ker je vložek v znanost najboljši, kar si ga je mogoče zamisliti.
