1. Явні визначення одиниць

1.1 Кілограм. Пропонується два формулювання явного визначення кілограма, але вони приводять до близьких результатів. У першому з них (кг-1a) еквівалентна енергія тіла масою 1 кг прирівнюється до енергії деякого числа фотонів. В другому (кг-1b) визначене значення “комптонівської частоти” (частоти де Бройля-Комптона) присвоюється тілу масою в 1 кг.

Зараз ми не ставимо перед собою задачу строго тлумачити це визначення, ми лише підкреслюємо, що вони базуються на фіксації сталої Планка.

1.2 Ампер (А-1). Амперу дається досить пряме визначення, яке зв’язує ампер з точним значенням .

1.3 Кельвін (К-1). В цьому визначенні слід звернути увагу на слова “точно на 1,380650510^-23 Дж”. Автори ввели слово “точно” для узгодження з іншим визначенням. Оскільки в цьому визначенні сказано, що =1,380650510^-23 Дж, з цього виразу ми одержуємо значення сталої Больцмана =1,380650510^-23 ДжК^-1.

1.4 Моль (моль-1). У визначені моля має бути точно вказано вид структурних елементів. Це можуть бути атоми, молекули, іони, електрони, інші частинки або точно визначені групи частинок. Все це сформульовано в даному визначенні.

2 Визначення через сталі

Визначення через сталі просто констатують, що одиниця визначається завданням точного значення якоїсь фундаментальної сталої. Запропоновані визначення мають загальну конструкцію:

[найменування одиниці] є така одиниця [найменування величини], що [найменування фундаментальної сталої] дорівнює точно [значення сталої].

Автори вважають перевагою такого визначення простоту, коротке формулювання, явне позначення тієї ФФС, до якої прив’язана одиниця, і фіксація точного значення цієї сталої. Якщо будуть прийняті такі визначення, то, як вважають автори, цей підхід логічно застосувати для всіх семи основних одиниць. Очевидно, що такі визначення в значній мірі відрізняються від сучасного способу явного визначення основних одиниць, що може стати предметом дискусії.

Неважко бачити, що при такому підході наступним кроком буде твердження, що одиниці SI повністю визначаються шляхом фіксації значень конкретного набору з семи ФФС (включаючи частоту переходу в цезії і спектральну силу монохроматичного світла).

Таким чином, можна буде сказати, що Міжнародна система одиниць (SI) є система, в якій:

1) частота переходу, зв’язаного з надтонким розщепленням основного стану атома цезію-133, дорівнює 9192631770 Гц;

2) швидкість світла у вакуумі =299792458 м/с;

3) стала Планка =6,6260693 Джс;

4) елементарний заряд =1,60211765310^-19 Кл;

5) стала Больцмана =1,3380650510^-23 Дж/К;

6) стала Авогадро =6,022141510²³ моль^-1;

7) спектральна сила світлового потоку монохроматичного випромінювання частотою 54010¹² Гц =683 лм/Вт.

Найважливішою перевагою запропонованого нового підходу є те, що він, у перспективі, усуває ділення одиниць на основні та похідні. На практиці основні та похідні одиниці стануть нероздільними, а наведені вище сім сталих утворять основу системи.

9.2 Про можливість створення природного еталона маси

Вище було сказано про успіхи НМІ в реалізації одиниці маси через ФФС. Наведемо на основі літературних даних [,] відомості про основні напрямки досліджень зі створення природного еталона маси (табл. 9.2).

Таблиця 9.2

Порівняння основних методів відтворення одиниці маси

Назва методу	Простежуваність до ФФС	Організації, країна	Орієнтована похибка на 2009 р.
Ваги Уатта	Стала Планка	NIST (США), NPL (Великобританія), OFMET (Швейцарія)	810-8
Використання сталої Авогадро	Стала Авогадро	IMGC (Італія), NRLM (Японія), PTB (Німеччина)	310-7
Метод «левітуючої маси»	Стала Планка	NRLM (Японія), ВНИИМ (Росія)	10-5…10-6
Метод накопи­чення іонів золота	Атомна одиниця маси	РТВ (Німеччина)	310-8

Метод “вагів Ватта” полягає у зрівноваженні гравітаційної сили, що створюється масою в 1 кг, силою, яка виникає в котушці зі струмом, розташованій (поміщеній) у зовнішньому магнітному полі. У двох режимах виміряються струм і напруга з використанням ефектів Джозефсона, Холла і закону Ома. При цьому формула для сталої Планка буде мати вигляд

, (9.1)

де ,- мікрохвильові частоти опромінення матриці Джозефсона в першому і другому режимах.

Використання сталої Авогадро. Цей метод полягає у встановленні за допомогою цієї сталої взаємозв’язку між атомною або молекулярною масою і одиницею маси – кілограмом:

, (9.2)

де − молярна маса кремнієвого артефакту, кг;− об’єм кремнієвого артефакту, кг;− маса кремнієвого артефакту, кг;− кількість атомів у чарунці кремнієвого артефакту.

Метод “левітуючої маси”. Цей експеримент пов'язаний з поняттям кванта магнітного потоку і сталою Планка.

Експериментальне обладнання включає надпровідну котушку, що створює магнітне поле, в якому “левітує” надпровідне тіло, і джозефсонівську матрицю, які знаходяться в кріогенному середовищі. Коли маса тіла зрівноважена магнітним полем котушки і має місце ефект Мейснера, електромагнітна енергія, прикладена до котушки, повністю перетворюється в електромагнітну енергію котушки і гравітаційну потенціальну енергію левітуючого тіла.

Метод накопичення іонів золота полягає в прямому вимірюванні атомної маси нуклона в кілограмах. Формується пучок іонів золота, який у вакуумі проходить через сепаратор маси, який виділяє іони золота з атомною масою 197. Виділені іони попадають у відповідний пристрій і зважуються масокомпаратором. Для вимірювання струму іонів і падіння напруги на опорі, використовуються квантові ефекти Джозефсона і Холла.

Таким чином, намір перевизначити кілограм дав потужний імпульс розвитку досліджень у цій галузі, а їх результати дозволяють стверджувати, що вже в досить близькому майбутньому природний еталон одиниці маси буде створено.