Фундаментальные проблемы метрологии XXI в.

В настоящее время количественные характеристики всех прак­тически используемых физических явлений в окружающем нас мире могут быть определены на основе существующих теорий фундамен­тальных взаимодействий и значений ФФК. Точность, с которой может быть вычислена на основе теории какая-либо характеристи ­ка процесса, в значительной мере зависит от точности известных соответствующих ФФК. С наибольшей точностью сейчас определе­на константа электромагнитных взаимодействий. В метрологии применение квантовых стандартов, функционирование которых основано на явлениях микрофизики, также приводит к повышению точности воспроизведения единиц физических величин и передачи их размеров.

Современная метрология претерпела заметные качественные и идеологические изменения. По сути дела, в ее рамках возникла но­вая наука — фундаментальная метрология — наука о фундаменталь­ных процессах, законах, управляющих этими процессами в физике, и пределах их применимости. Цель метрологии — использование но­вых физических эффектов для создания и совершенствования есте­ственных эталонов, уточнение значений основных физических кон­стант и способов их согласования, установление принципиальных пределов измерения (квантовых, термодинамических, релятивист­ских и т. д.).

Роль фундаментальных постоянных в метрологии состоит в воз­можности установления связи между различными единицами, а так­же между разными системами таких единиц. В то же время эти кон­станты входят в фундаментальные физические теории, что приво­дит к инвариантным (по отношению к изменениям системы единиц) соотношениям между результатами измерений разных величин.

Таким образом, фундаментальные константы дают возможность количественно сопоставить выводы основных физических законов и тем самым определяют точность, полноту и единство наших пред­ставлений об окружающем мире. К таким представлениям в первую очередь относятся свойства пространства и времени, а также свой­ства четырех основных физических взаимодействий — гравитацион­ного, электромагнитного, слабого и сильного (ядерного).

Физики-метрологи предлагают замкнутую схему, отражающую необходимые связи в фундаментальной метрологии (рис. 11.4).

Переход к квантовым стандартам (эталонам) в последние годы является основным направлением совершенствования эталонной базы метрологических организаций многих стран, так как кванто­вые эталоны обладают рядом явных преимуществ при обеспечении стабильности и единства измерений. Разработка, внедрение и при­менение квантовых стандартов единиц физических величин наивыс­шей точности в первую очередь базируется на использовании зна­чений ФФК, таких, как скорость света с, постоянная Планка h, по­стоянная Больцмана к, массы и заряды элементарных частиц

Рис. 11.4. Связи фундаментальной метрологии

 

(электрона, протона) и т. д. Более того, нахождение с высокой точ­ностью значений ФФК и повышение точности воспроизведения физических единиц и передачи их размера с помощью квантовых эталонов взаимосвязаны.

Сказанное выше позволяет сделать вывод, что основой повыше­ния точности, стабильности и воспроизводимости единиц физичес­ких величин с помощью новых эталонов является использование квантовых закономерностей микрофизики и фундаментальных фи­зических констант. Правда, не исключается возможность изменения константы электромагнитных взаимодействий с увеличением возра­ста Вселенной или даже при движении Земли в пространстве Все­ленной. При этом надо учитывать возможное изменение констант не только электромагнитных, но и слабых, сильных и гравитацион ных взаимодействий, что в настоящее время не делается. Кроме ва риаций констант взаимодействий возможны также вариации эле ментарных частиц.

Точность теоретических расчетов различных процессов в пос леднее время существенно возросла и сравнялась с предельной точ ностью, достигаемой при проведении экспериментальных измере­ний, что позволяет при обработке этих данных использовать вычис­ленные теоретические значения в качестве опорных.

Перспективным направлением метрологических исследований является замена платиноиридиевого прототипа килограмма кванто­вым эталоном массы, который будет основан, вероятнее всего, на атомной единице массы и числе Авогадро или постоянной Планка. Для повышения точности воспроизведения единицы и передачи ее размера с помощью квантового эталона массы требуется более точ­ное определение числа Авогадро и постоянной Планка, а также раз­работка наиболее точных экспериментальных и теоретических ме­тодов нахождения масс элементарных частиц, атомов, ионов и мо­лекул. Можно предположить, что в дальнейшем в рамках теории великого объединения всех взаимодействий станет возможно, на­пример, вычислять с высокой точностью массы произвольного ко­личества вещества, состоящего из любых типов частиц, задавая при этом значения одной или нескольких ФФК.

Не исчерпаны возможности совершенствования детища Госу­дарственной службы времени и частоты — ВНИИФТРИ, где в 50— 60-х годах прошлого столетия были разработаны лучшие в мире кварцевые часы, созданы квантовые (молекулярные и водородные) генераторы, комплекс аппаратуры государственного первичного эталона времени и частоты, воспроизводящего атомную секунду, си­стема передач сигналов атомного времени по радио- и телевизион­ным каналам, усовершенствована система определения параметров вращения Земли. Основные метрологические характеристики ГСВЧ с 1967 г. по настоящее время были повышены более чем в 1000 раз. Несмотря на рекордные показатели точности и стабильности, суще­ствует возможность значительно улучшить эти показатели при пе­реходе от микроволновых к оптическим стандартам частоты и вре­мени и стандартам частоты нового поколения — атомным фонтанам, в которых используются охлажденные лазерным излучением до тем­пературы порядка милликельвина атомы и ионы. В последние годы наблюдается существенный прогресс в области создания лазеров с высокой стабильностью и точностью воспроизведения частоты из­лучения.

Изменение функционального назначения астрономических методов в ГСВЧ сопровождалось пересмотром методических и тех­нических приемов их реализации. Потребовалась разработка таких методов измерений и их математической обработки, которые позво­лили существенно повысить точность и разрешающую способность аппаратуры. В техническом плане это внедрение методов спутнико­вой дальнометрии (лазерная локация и прием сигналов спутнико­вых навигационных систем) и метода интерферометрии сверхуда­ленных космических радиоисточников. Точность этих методов на два порядка превышает точность классических астрооптических определений, но достигается это ценой использования аппаратуры чрезвычайной сложности, создание которой требует значительных капитальных затрат. По этой причине использование таких методов в ГСВЧ активизировалось в основном в последнее время. При этом в дополнение к собственным измерениям привлекаются также дан­ные зарубежных станций.

В плане совершенствования математической обработки наблю­дений следует отметить внедрение вероятностно-статистического метода вычислений всемирного времени (М.Б. Кауфман, 1975), обеспечившего повышение разрешающей способности (до суток) и оперативности (бюллетени «Всемирное время» стали выходить еже­недельно). С 1985 г. кроме всемирного времени вычисляются также координаты полюса — сначала по данным астрооптических наблю­дений широты, затем с использованием спутниковых измерений. Собственно, с этого момента и начато определение именно парамет­ров вращения Земли. По мере внедрения новых способов измерений совершенствовалась и методика обработки, обеспечивающая объе­динение разнородных данных на основе методов математической статистики.

Одна из задач Государственного метрологического центра ГСВЧ — обеспечение взаимодействия с международными организа­циями при согласовании ряда важнейших проблем ГСВЧ, а именно:

• обеспечения единства измерений времени и частоты и вклад ГМЦ в формирование группового эталона времени и частоты — сек ция времени МБМИ (Франция);

• обеспечения потребителей единообразной и высокоточной ин­формацией о времени и частоте — ITU (Международный союз элек­тросвязи);

• признания калибровочных, поверочных и аттестационных ра­бот, проводимых в различных странах;

• участия в совместных работах по определению всемирного (ас­трономического) времени.

Важную роль в работе ГСВЧ играла межведомственная комис­сия времени и эталонных частот, которая способствовала объедине­нию усилий в развитии и совершенствовании ГСВЧ России. Значи­тельным этапом в развитии ГСВЧ явилось постановление Прави­тельства Российской Федерации «Положение о Государственной службе времени и частоты и определения параметров вращения Зем­ли», принятое в 2001 г. В нем подчеркивались важность совершен­ствования ГСВЧ, повышения точности и надежности воспроизве­дения и хранения размеров единиц времени и частоты, а также шкал времени и их доведения до потребителей.

В 2005 г. Консультативный комитет по единицам МКМВ при­нял рекомендацию по возможному изменению определения кило­грамма, ампера, моля и кельвина на основе фундаментальных фи­зических постоянных величин. Безусловно это приведет и к изме­нению эталонной базы физических величин.

Измерения усложняются, все большую роль в их осуществлении играют методические факторы. На первый план выходят методики выполнения измерений, в которых значительное место отводится алгоритмам обработки данных. Измерительные эксперименты ста­новятся все более дорогостоящими, что делает необходимой их оп­тимизацию. Факторами оптимизации, наряду с качеством аппара­туры, становятся также методические, вычислительные и другие аспекты измерений. Все это вместе означает, что метрология долж­на быть непосредственным заказчиком для приборостроения, элек­троники, физиков-атомщиков.

Создаваемые в настоящее время на базе новейших технологий системы и комплексы требуют существенного повышения точнос­ти и надежности эталонов и других систем метрологии.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение I Таблицы мер и единиц Древнего мира

Таблица ПЛ. 1

Единицы длины и расстояний

Название единицы	Эквивалент единицы	Величина в единицах СИ
Миля вавилонская	30 двойных стадиев	И 666 м
Миля римская	1000 двойных шагов	1481 м
Миля византийская	1000 двойных шагов	1483 м
Стадий римский	-	185 м
Стадий греческий олимпийский	-	192 м
Стадий вавилонский	360 локтей	194,4 м
Локоть вавилонский, кус	-	54 см
Локоть древнеегипетский	7 ладоней	52,4 см
Локоть простолюдинный	-	45 см
Ладонь	4 пальца	74,48 мм
Палец	-	18,71 мм

 

Таблица П.1.2

Единицы площади

Название единицы	Эквивалент единицы	Величина в единицах СИ
Вавилонский колодец	18 полей	6,345 га
Поле	100 грядок	0,3525 га
Грядка	-	35,25 м^2

 

Таблица П. 1.3

Единицы объема

Название единицы	Эквивалент единицы	Величина в единицах СИ, л
Вавилонский гур	60 гин или 300 ка
Библейский бат	74 лога или 6 хин
Греческая амфора	-
Римская амфора	48 секстариев	25,5

 

Таблица П. 1.4

Единицы веса (массы)

Название единицы	Эквивалент единицы	Величина в единицах СИ
Талант ранневавилонский	60 мин	36 кг
Мина ранневавилонская	60 сиклей	600 г
Золотой талант	50 больших мин	50,4 кг
Золотой талант малый	—	25,2 кг
Сикль, шекл, шекель	180 зерен или 180 гран	Юг
Большая серебряная мина	-	1,008 кг
Малая серебряная мина	—	0,5453 кг
Древнеримский фунт	0,5 малой мины или 10 унций	272,88 г
Унция Древнего Рима	6 денариев	27,288 г
Денарий	4 скрупула	4,55 г
Скрупул Древнего Рима	-	1,14 г
Фунт 269 г. до н. э.	75 денариев	341 г
Фунт libra	1 л Византии	327,64 г
Фунт Карла Великого	240 денариев по 1,705 г	409,6 г
Солид Византии	12 денариев по 1,705 г	20,46 г
Мина финикийская	—	364 г
Мина эвбейская	50 статеров	436 г
Статер	2 драхмы	8,72 г
Драхма	6 оболов	4,36 г
Обол	-	0,727 г

££ Приложение II

Эволюция ОСНОВНЫХ русских единиц Таблица П. II.1

Единицы длины

Наименование единицы (ее сокращенное обозначение)	XI-XIII вв.	XIV—XV вв.	XVI-XVII вв.	XVIII в.	XIXв. - начало XXв.	Примечание
Миля	_	—	—	-	7 в; 7,468 км
Верста (в)	750 с; ~ 1140 м	Переход к вер­стам в 500 и 1000 с	1000 с; 2,16 км 500 с; 1,08 км	500 с; 1500 а; 3500 ф; 1066,8 м	500 с; 1500 а; 3500 ф; 1066,8 м	Версту 1000 с иногда применяли в начале XVIII в.
Сажень (с)	3 л; ~ 152 см	Переход через са­жень 180 см к са­жени 216 см	3 а; 216 см; 48 вр	7 ф (За); 213,36 см	7 ф (За); 213,36 см	Сажень 180 см содержала 2,5 а
Сотка	_	—	1/100 с	2,14 см
Аршин (а)	-	—	4 ч; 72 см	28 д (16 вр); 711,2 мм	28 д (16 вр); 711,2 мм
Локоть (л)	2 п (?); ~ 51 см	51 см	10 ^2/з ^вр; 48 см	—	—	Деление на 2 п сомнительно
Четверть [аршина] (ч)	—	—	4 вр; 18 см	—	—	В XVI-XVII вв. заменила пядь
Пядь (п)	18- 19 см	18-19 см	Около 4 вр	-	-
Фут (ф)	-	—	—	12 д; 304,8 мм 120 линий	12 д; 304,8 мм
Вершок	_	—	4,5 см	1^3Дд; 44,4 мм	1^3Дд; 44,4 мм
Дюйм (д)	-	-	—	25,4 мм	25,4 мм	Делился на 10 ли­ний и 100 точек
Линия	_	—	—	-	10 точек; 2,54 мм
Точка	-	-	-	1/100д	0,254 мм

Примечание. В таблице: вр — веревки.

 

Таблица П. II.2

Единицы площади

Наименование единицы (ее сокращенное обозначение)	XI-XIII вв.	XIVв.	XVв.	XVIв.	XVII в.	XVIII в.	XIXв. - начало XXв.
Квадратная верста				500ч;500 с; 100 дс; 1,16 км^2	1000ч; 1000 с; 417 дс; 4,664 км^2	500ч;500 с; 1,138 км^21000ч; 1000 с; 4,552 км^2	5004;500 с; 1,138 км^2
Квадратная сажень	—	—	—	9 квадратных аршин = 4,552 м^2 = = 49 квадратных футов
Квадратный аршин	—	—	—	256 квадратных вершков = 0,5058 м^2 = = 784 квадратных дюймов
Квадратный фут	-	-	—	—	144 квадратных дюйма = 929 см^2
Квадратный вершок	—	—	—	—	19,685 см^2
Соха (сх)	Площадь вспашки за 1 световой день 3 людьми на 3 лошадях	500- 1200 чт	500-1200 чт	800 чт	-	-
Десятина (дс)		50ч.50 с; 1,66 га (?)	50ч.50 с; 1,166 га	50ч.50 с; 2 чт	80ч.30 с; 1,12 га	2400 с^2(3200 с^2); 1,092 га (1,457 га)	2400 с^2(3200 с^2); 1,092 га (1,457 га)	Дл ув< зн; pa­pal
Четверть (чт)	Площадь, на которой высевали четверть (меру объема) ржи	-0,58 га	-0,56 га	-	-
Ар	- 1		—	-	-	-	100 м^2

---------------------------------------------------------------------------- І ч

oj Таблица П. І І. З

Меры веса

Наименование меры (ее сокращенное обозначение)	XI-XIII вв.	XIV в.	XV в.	XVI-XVII вв.	XVIII в. - начало XX в.	Примечание
Ласт	-	90 - 120 пд; 1475-1960 кг	72 пд; ~ 1179 кг	72 пд; ~ 1179 кг
Берковец	10 пд; 163,8 кг	10 пд; 163,8 кг	10 пд; 163,8 кг	10 пд; 163,8 кг	10 пд; 163,8 кг; 400 фн
Контарь	-	-	2,5 пд; 100 фн; ~ 40,95 кг	2 У2 пд; 100 фн; ~ 40,95 кг	100 фн; 40,95124 кг	С XVIII в. называ­ется центнером (стофунтовиком)
Пуд (пд)	40 гривен; 16,38 кг	40 гривен; 16,38 кг	40 гривен; 16,38 кг	40 фн; 16,38 кг	40 фн; 16,38 кг; 1280 лотов
Большая гривна	96 з; 409,5 г	96 з; 409,5 г	96 з; 409,5 г	96 з; 409,5 г	-	С XVI в. название (но не сама мера) вытесняется фунтом
Безмен	_	5 малых гривенок	1,02 кг	-	-
Фунт (фн)	-	-	-	32 лота; 96 з; 409,5 г	32 лота; 96 з; 409,5 г
Лот	_	1/32 фунта	Зз	12,8 г	288 долей
Золотник (з)	25 пч; 4,27 г	25 пч; 4,27 г	25 пч; 4,27 г	25 пч; 4,27 г	96 долей; 4,27 г
Почка (пч)	4 пр;171 мг	4 пр; 171 мг	4 пр; 171 мг	4пр; 171 мг	-	По другим данным, 1/4 почки = 44,4 мг
Пирог (пр) (доля)	43 мг	43 мг	43 мг	43 мг	-

 

 

Русский аптекарский вес Аптекарский фунт = 12 унций 358,328 г 1 скрупул = 20 гранам 1,244 г 1 унция = 8 драхм 28,860 г 1 гран 0,062 г 1 драхма = 3 скрупул 3,732 г

 

Таблица П. II. 4

fci

Старорусские меры объема

Название меры	Вместимость меры, выраженная
в бочках	в ведрах	л
Кадь, оков			839-978
Мерная бочка, сороковка, сороковая, лагун
Смоленская, полувозовка, полубочка, ижемка, сопец	1/2		244,6
Четверть, бочка винная беременная, пивная бочка	1/4		122,3
Бочка винная полубеременная, бочонок водочный, корец	1/8		61,15
Молостов, корчага, насадка, бочонок беременный, анкер	1/16	2,5	30,6
Корчага, ведро мерное	1/32		12,230
Полведра, четвертка, баклажка, сулея, ендова, баклага	1/64	1/2	6,115
Четверть (ведра), малый четверик, ставец, скопкарь, братина, осьмуха, осьмина, гарнец, балакирь, гусь, бутыль	1/128	1/4	3,06
Жбан, галенок, братина	1/256	1/8	1,529
Винная бутылка, кубок	1/512	1/16	0,764
Ковш, чюм, чара	1/1024	Г/32	0,382
Красовул, доскан, досканец, достакан	1/2048	1/64	0,191
Чаша, чашка, стопка, стопарь	1/4096	1/128	0,096
Кружка, штоф, стопа, пол-осьмины, жбан	1/256	1/10	1,230
Водочная бутылка, кубок, пузырь, галенок	1/512	1/20	0,615
Чекушка, четверик, четушка, четвертинка, стакан	1/1024	1/50	0,25
Чапаруха, чапарка, чаплажка, чарка, сотка	1/2048	1/100	0,123
Шкалик, мерзавчик, сокушка, фуфырик	1/4096	1/200	0,0614

 

uj о -J

н и

и S X S а а> ; Е СЦ а я СП

1853,2 м

1852 м

185,3182м

185,3241 м

1609,344 м

4828,032 м

5559,56 м

5560,08 м

201,168 м

109,73 м

20,1168 м

5,03 м

1,8288 м

0,9144 м

0,457199 м

0,3048 м

10,16 см

22,86 см

2,54 см

2,1167 мм

0,353 мм

0,0254 мм

20,1168 см

0,254 мм

Английские эквиваленты

10 кабельтовых

10 кабельтовых

8 фарлонгов или 5280 футов

10 чейнов

4 рода, или 100 линков, или 66 футов

5,5 ярда

6 футов или 2 ярда

3 фута

0,5 ярда

3 хэнда или 12 дюймов

4 дюйма

12 линий, или 72 точки, или 1000 мил

6 точек

1/100 чейна

Единица

Миля морская (Великобритания)

Миля морская (США)

Кабельтов (Великобритания)

Кабельтов (США)

Миля уставная (statute mile)

Лига законная (statute League US)

Лига лондонская

Лига морская

Фарлонг

Моток (skein)

Чейн

Род (поль, перец)

Фатом, морская сажень

Ярд

Кьюбит, ковид

£ ©

Хэнд

Спэн, пядь

Дюйм

Линия

Точка

Мил

Линк

| Калибр

Таблица П.III.2