Эталоны и их "точность"

     

      Эталон - это нечто, что реализует единицу измерения (в физике и технике) или свойство (в технике: цвет краски, вкус продукта). Эталон может быть в принципе использован двумя способами. Предъявляя эталон прибору, мы проверяем прибор. Сравнивая эталон с другим эталоном, причем присваивая значение второму по информации о первом и данных прибора сравнения, мы создаем подчиненный эталон (например, национальный по мировому). Сравнивая два эталона одного ранга (два мировых, два национальных), мы не присваиваем значения, но по данным прибора сравнения можем определить, изменилась ли разница между эталонами. оценить стабильность и косвенно - точность.

     

      В социологи ситуация иная - эталонов нет. Нет эталонного города, эталонной страны, эталонной группы студентов или эталонного электората. Соответственно, нет очевидного и резкого деления на "высокую метрологию", занимающуюся эталонами и поверкой, и "полевую" метрологию, которая берет штангенциркуль и того, меряет. Хотя конечно, от осознания принципов функционирования общества до вопроса "какие чипсы вы предпочитаете" дистанция не маленькая.

     

      А вот в психологии ситуация ближе к физике и технике - у них нет эталонного человека (или эталонной "малой группы") но у них есть представление о "норме". Частично оно интуитивно, частично базируется на показаниях приборов - нормальный человек имеет IQ 100 и те или иные показатели по другим основным тестам.

     

      Метрологию можно разделить на две - "высокую метрологию" и "полевую метрологию". Полевая метрология - это сами измерения и их обработка (то есть то, чем занимаются все физики и технари) и разработка приборов и методов измерений (то есть то, чем занимаются прибористы при участии физиков и технарей). Но для разработки приборов нужны эталоны. Вот всем, что касается эталонов, занимается "высокая метрология". В ней, как это ни дико звучит, вообще нет понятия "точность" - ибо точность относительно чего? Раньше метрологи поступали так: изготавливали несколько "метров" или "килограммов" и объявляли один главным, мировым эталоном. Это снимало задачу определения "точности" с остальных эталонов. Но эта проблема оставалась для одного, главного эталона, а кроме того, всякий понимал, что коронация именно этой гири ничем не оправдана - все гири одинаковы. Логичнее было бы принимать за "эталон" среднее значение, то есть считать, что в среднем гири-эталоны не изменяют массу. Это логичнее (нет случайного выбора), но с точки зрения физики, глупо: уж если мы обнаружили, что изменяется масса платино-иридиевых гирь, причем и разных - по-разному и мы не знаем как следует, почему, то откуда мы знаем, что не изменяется в среднем?

     

      Выход очевиден - переход к атомным эталонам, ибо ортодоксальная физика ясно говорит, что атомы одинаковы и масса их не изменяется со временем, что скорость света в вакууме одинакова и неизменна, что все прочие мировые константы - тоже константы. Именно на этом уровне обоснования построено действующее в настоящее время определение метра. Метр определен как расстояние, которое свет проходит за некоторое время. В какой ситуации такое определение лучше? Если скорость света и это некоторое время определяются стабильнее, повторяемее, и передавать построенный таким образом эталон легче - то "и увидел Метролог, что это хорошо". Физика считает скорость света постоянной, а метрология считает эталон секунды более стабильным, чем предшествующий эталон метра. Поэтому и перешла метрология на новый эталон метра. Вернувшись, как отмечают в некоторых книгах, к определению метра через секунду - имеется в виду древнее определение через период маятника.

     

      Однако это еще не все. В новом определении метра через скорость света и секунду указано, что скорость света равна "чему-то там (точно)." Поскольку при старом (и вообще каком угодно) определении метра и секунды нет никаких причин, чтобы скорость света попала "точно" в какое-то значение, это похоже на школьную глупость - считать g = 10 м/с2. На самом деле, большого криминала тут нет, если стабильность измерений скорости света такова, что колебания не ограничивают точности. Но с точки зрения физика, выглядит странно.

     

      Использование атомных эталонов затруднено несопоставимостью размера эталона и большинства измеряемых величин, требуется строить цепочки преобразователей. Возможно, что когда-то люди перейдут к использованию атомных макроскопических эталонов, то есть атомных эталонов практического масштаба. Это могут быть внешние орбиты возбужденных атомов при высоком уровне возбуждения

      http://school-collection.edu.ru/catalog/res/6eeebb6e-3b33-2e37-27f8-064f4ff74816/

      или какое-либо длинноволновое излучение, например, знаменитое излучение межзвездного водорода 1420,40575 МГц (волна 21,1 см)

      http://www.astronet.ru/db/msg/1188602

     

      Есть, однако в этой эталонной проблеме более глубокая сторона - проблема постоянства фундаментальных констант. К ней мы обратимся ниже.

     

     

      Эталоны для физики и техники

     

      Эталон длины

      Cначала эталоны были естественные, например, эталоном длины был, возможно, пояс короля Карла такого-то. Потом король слегка разъелся и экономика сошла с ума. Поэтому взяли длину маятника с определенным периодом (привязав тем самым эталон длины к эталону времени), потом длину меридиана - она, де, стабильна. Потом оказалось, что не стабильна, не одинакова, не точно измерена и вообще за эталоном по меридиану пойдешь - в Центральную Африку попадешь к тим, которые "еще не произошли" ((С) Т) и на вертел угодишь. Гораздо лучше в оплаченные предприятием командировки в Париж ездить. И эталоном стала платино-иридиевая палка с шестью насечками. Однако ездить хлопотно, и главное - это вам не в Куршевель с девочками, а с метровой несколькикилограммовой палкой в зубах. Намного приятнее иметь дело с естественным атомным эталоном, который, как праздник, всегда с тобой. Поэтому новым эталоном метра было объявлено сколько-то (именно 1650763,73) длин волн излучения, соответствующего переходу между какими-то (именно 2P10 и 5D5) уровнями какого-то атома (именно Kr). Почему такое число - понятно: новый эталон должен на данный момент совпадать с предыдущим, отсюда и дурацкое число, если бы это определение было исторически первым, стояло бы 1000000. Так чем же новый метр лучше старого? Во-первых, удобством передачи: мы знаем, что атомы криптона такого-то одинаковы и в Москве, и в Нью-Йорке, и в пгт Муходефекаторске. И если мы организуем разряд в парах этого, как его? - а, криптона, то и будет в его спектре то, что надо. Разумеется, при этом надо соблюсти множество условий, но здесь есть важное отличие от платино-иридиевой палки - принципиально важное для создания эталонов. Мы лучше знаем и понимаем, что и почему влияет на длину волны излучения, чем - что и почему влияет на расстояние между штрихами на палке. Следовательно, лучше можем обеспечить постоянство эталона.

     

      Итак, мы видим эволюцию от естественного эталона к искусственному, а потом опять к естественному, так сказать естественному эталону второго поколения - "атомному эталону". Таков эволюционный путь и некоторых других эталонов, но важно не каков он именно, а что является движущей его силой. Это стремление к точности, точнее - стабильности и повторяемости и удобство передачи. Оговорка насчет точности принципиально важна, и вот почему.

     

      Эталон времени

      В природе полно периодических процессов, поэтому с естественным эталоном времени приблем не было, правда лично я взял бы не вращение Земли, а периодическое возникновение желания пожрать. Потому что вращается Земля или нет - мы видим только днем, а кушать хочется и ночью. Но взяли вращение, а потом выяснили, что вращается неравномерно, и перешли к атомному эталону - периоду излучения при определенном переходе в определенном атоме.

     

      Эталон массы

      Это - килограммовая гиря из платиноиридиевого сплава, определенной формы, хранящаяся под двойным колпаком и так далее. Гирь таких было изготовлено несколько, их раз в сколько-то лет свозят в Париж и так далее, см. выше рассуждение насчет того, что такое точность эталона. Естественен 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. Степень у десяти такая большая, что даже фуллерен из урана не спас бы дела. Но перейти на естественный псево-атомный эталон хочется. Поэтому ведутся работы по созданию эталона массы на основе эталона метра и атомных свойств (то есть в итоге это все-таки атмный эталон). А именно, предполагается, что это будет шар точно известного размера из моноизотопного кремния. Шар - чтобы избежать неопределенности, связанной с истинной геометрией ребер, кремний - поскольку для него разработаны технологии очистки. У кремния три стабильных изотопа, что затрудняет получение точных копий эталона, но зато для кремния разработаны методы очистки от примесей, а изотопно-чистый кремний представляет, как пишут, свой интерес для полупроводниковой техники и технология его изготовления существует.

     

      Эталон количества вещества

      Это моль, который в общем-то дублирует эталон массы, но сохраняется как понятие для удобства в основном химических вычислений. Отдельного эталона моля не существует. По определению, это такое количество вещества, которое содержит столько молекул, сколько атомов в 12 граммах углерода-12, то есть попросту - число Авогадро. Метрологи при упоминании моля морщатся и скорее всего еще при нас он будет исключен из списка основных единиц.

     

      Эталон температуры

      В физике есть несколько разных "температур", высокая метрология знает одну - термодинамическую температуру. Это та самая, которя однозначно связана с энергией через постоянную Больцмана (поэтому физики часто измеряют температуру в единицах энергии - Джоулях, или, того страшнее, в электронВольтах :) Она же входит в универсальный газовый закон. Поскольку для температуры нет естественного эталона, шкала температур условна и таких шкал много. Наиболее распространены сегодня шкалы Кельвина (наука), Цельсия (быт, Европа), Фаренгейта (быт, Америка). В некоторых регионах используется более простая шкала температур с тремя температурами - холодно, термимо, жарко. На шкале Кельвина ноль совпадает с абсолютным нулем, а реперная точка - тройная точка воды. Значение температуры в этой точке выбрано так, чтобы деление шкалы (Кельвин) совпадал с делением шкалы Цельсия (градус Цельсия), для упрощения пересчета. Другие реперные точки - точки фазовых переходов чистых веществ, интерполяция между точками делается термометрами сопротивления и газовым термометром.