Istorinė Metro konvencijos reforma: kaip nuo šiol apibrėžiami visi SI sistemos vienetai

Pasirašius Metro konvenciją, buvo sukurta tarpvyriausybinė organizacija – Tarptautinis svarsčių ir matų biuras (Bureau International des Poids et Mesures, BIPM), kurio paskirtis – užtikrinti matavimų vienovę ir tarptautinį bendradarbiavimą matavimų srityje, o įvedus Tarptautinę vienetų sistemą (Système International d'Unités, SI) – užtikrinti jos plėtrą.

Aukščiausiasis Metro konvencijos valdymo organas yra Generalinė svarsčių ir matų konferencija (Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM). 2015 metais Lietuva pripažinta tikrąja Metro konvencijos nare. 2016 m. Metro konvenciją ratifikavo Lietuvos Respublikos Seimas.

Lietuva, tikroji Metro konvencijos narė, šioje konferencijoje turi balso teisę, tuo tarpu Latvija ir Estija, kaip ir kitos asocijuotosios narės, balso teisės neturi.

Gegužės 20-oji – Metro konvencijos pasirašymo diena – minima kaip Pasaulinė metrologijos diena.

2018 metų lapkričio 16 diena yra ypatinga pasaulinei metrologijai – tą dieną Versalyje CGPM 26-ojo posėdžio metu buvo priimtas istorinis sprendimas, įteisinantis naujas septynių pagrindinių SI vienetų – sekundės, metro, kilogramo, ampero, kelvino, kandelos ir molio – apibrėžtis. Sprendimas pakeisti vienetų apibrėžtis yra padiktuotas gyvenimo; juo siekiama panaudoti technologijas, leidžiančias kuo tiksliau ir stabiliau atkurti SI vienetų vertes.

Atkuriant vienetų vertes pagal materialių objektų savybes, kaip tai reglamentuoja senosios apibrėžtys, pasiekiamas tik ribotas atkuriamų verčių stabilumas. Pavyzdžiui, masės vieneto – kilogramo – vertė yra atkuriama pagal Tarptautinio kilogramo prototipo (International Prototype Kilogram, IPK), pagaminto iš iridžio ir platinos lydinio, masę. Dėl neišvengiamų prototipo paviršiaus kitimų IPK masė nuolatos kinta, todėl atkurti kilogramo vertę galima tik dešimčių mikrogramų tikslumu. Žymiai tiksliau ir stabiliau kilogramą bei kitus vienetus galima atkurti, juos susiejant su fundamentaliosiomis gamtos konstantomis, kurios savo prigimtimi yra stabiliausios ir nepavaldžios aplinkos veiksniams.

Dar 2011 metais CGPM 24-ajame posėdyje buvo nutarta SI vienetus susieti su atitinkamomis fundamentaliosiomis konstantomis: kilogramą (masės vienetą) – su Planko konstanta, amperą (elektros srovės stiprio vienetą) – su elementariuoju krūviu, kelviną (temperatūros vienetą) – su Bolcmano konstanta ir molį (medžiagos kiekio vienetą) – su Avogadro konstanta. Taip pat buvo priimtas nutarimas, raginantis nacionalinius metrologijos institutus bei tarptautines mokslines metrologijos organizacijas daugiau dėmesio skirti fundamentaliųjų konstantų verčių tikslinimui. Patikslintos fundamentalių konstantų vertės yra paskelbtos BIPM leidinyje „Metrologia“.

Be to, įgyvendinant CGPM nutarimą, buvo sukurti nauji SI vienetų atkūrimo metodai. Visa tai buvo apibendrinta CGPM 26-ojo posėdžio nutarimuose, kuriais patvirtintos fundamentaliųjų konstantų vertės bei pagrindinių SI vienetų apibrėžtys. Toliau pateiktos senoji, dabar galiojanti, bei naujoji pagrindinių SI vienetų apibrėžtys:

Sekundės:

1. senoji: sekundė yra spinduliuotės, atitinkančios kvantinį šuolį tarp cezio 133 atomo pagrindinės būsenos dviejų hipersmulkiosios sandaros lygmenų, 9 192 631 770 periodų trukmei;
2. naujoji: sekundė (simbolis - s) yra SI sistemos laiko vienetas. Jis apibrėžiamas nustatant, kad dažnio ∆ν_Cs – kvantinio šuolio tarp cezio-133 atomo pagrindinės būsenos dviejų hipersmulkiosios sandaros lygmenų dažnio – skaitinė vertė yra fiksuota ir lygi 9 192 631 770, dažnį išreiškus vienetu Hz, kuris lygus s^-1.

Metro:

1. senoji: metras yra kelio, kurį šviesa vakuume nukeliauja per 1 / 299 792 458 sekundės laiko intervalą, ilgis;
2. naujoji: metras (simbolis – m) yra sistemos SI ilgio vienetas. Jis apibrėžiamas nustatant, kad šviesos greičio vakuume c skaitinė vertė yra fiksuota ir lygi 299 792 458, greitį išreiškus vienetu m/s, kur sekundė apibrėžiama remiantis ∆ν_Cs verte.

Kilogramo:

1. senoji: kilogramas yra masės vienetas; jis lygus Tarptautinio kilogramo prototipo masei;
2. naujoji:  kilogramas (simbolis – kg), yra sistemos SI masės vienetas. Jis apibrėžiamas nustatant, kad Planko konstantos h skaitinė vertė yra fiksuota ir lygi 6,626 070 15 × 10^-34, Planko konstantą išreiškus vienetu J s, kuris lygus kg m² s^-1, kur metras ir sekundė yra apibrėžti remiantis c ir ∆ν_Cs vertėmis.

Ampero:

1. senoji: amperas yra tokia nuolatinė srovė, kuri, tekėdama tiesiais lygiagrečiais begalinio ilgio ir nykstamai mažo skerspjūvio laidininkais, esančiais 1 m atstumu vienas nuo kito vakuume, sukurtų tarp šių laidininkų jėgą, lygią 2 x 10^–7 niutono vienam ilgio metrui;
2. naujoji: amperas (simbolis – A) yra sistemos SI elektros srovės stiprio vienetas. Jis apibrėžiamas nustatant, kad elementariojo krūvio e skaitinė vertė yra fiksuota ir lygi 1,602 176 634·10^-19, elementarųjį krūvį išreiškus vienetu C, kuris lygus A s, sekundę apibrėžiant remiantis ∆ν_Cs verte.

Kelvino:

1. senoji: kelvinas (K), termodinaminės temperatūros vienetas, lygus vandens trigubojo taško 1/273,16 daliai;
2. kelvinas (simbolis – K) yra sistemos SI termodinaminės temperatūros vienetas. Jis apibrėžiamas nustatant, kad Bolcmano konstantos k skaitinė vertė yra fiksuota ir lygi 1,380 648×10^-23, Bolcmano konstantą išreiškus vienetu J K^-1, kuris lygus kg m² s^-2 K^-1, kilogramą, metrą ir sekundę apibrėžiant remiantis h, c ir ∆ν_Cs vertėmis.

Molio:

1. senoji: 1) molis (mol) yra sistemos, turinčios tiek elementariųjų dalelių, kiek yra atomų 0,012 kg anglies 12, medžiagos kiekis; 2) kai naudojamas molis, turi būti nurodyta, kokios yra elementariosios dalelės. Tai gali būti atomai, molekulės, jonai, elektronai, kitos dalelės arba apibrėžtos tokių dalelių grupės;
2. naujoji: molis (simbolis – mol) yra sistemos SI medžiagos kiekio vienetas. Vieną molį sudaro tiksliai 6,022 140 76 × 10²³ elementariųjų dalelių. Šis skaičius yra fiksuota Avogadro konstantos N_A skaitinė vertė, išreikšta vienetu mol^-1 ir vadinama Avogadro skaičiumi.

Kandelos:

1. senoji: kandela (cd) yra šaltinio, spinduliuojančio vienspalvę 540 × 10¹² Hz dažnio spinduliuotę ir turinčio 1/683 vato steradianui spinduliavimo intensyvumą nurodyta kryptimi, šviesos intensyvumas ta kryptimi;
2. naujoji: kandela (simbolis – cd) yra sistemos SI šviesos stiprio kuria nors kryptimi vienetas. Jis apibrėžiamas nustatant, kad 540 × 10¹² Hz dažnio vienspalvės spinduliuotės šviesinio veiksmingumo K_cd skaitinė vertė yra fiksuota ir lygi 683, ir šviesinį veiksmingumą išreiškus vienetu lm W^-1, kuris lygus cd sr W^-1, arba cd sr kg^-1 m^-2 s³, kilogramą, metrą ir sekundę apibrėžiant h, c ir ∆ν_Cs vertėmis.

Lyginant naujas vienetų apibrėžtis su senosiomis, matyti, kad sekundės, metro ir kandelos apibrėžtys suformuluotos kiek kitaip, tačiau esmė liko ta pati, tuo tarpu kilogramo, ampero, kelvino ir molio apibrėžtys pasikeitė iš esmės. Senosios šių vienetų apibrėžtys primena griežtus receptus, kurių laikantis reikia atkurti vienetų vertes. Tai reiškia, kad eksperimento būdu nustatytos fundamentaliųjų konstantų vertes priklauso nuo SI vienetų verčių.

Pavyzdžiui, eksperimento būdu nustatyta Planko konstantos vertė priklauso nuo masės etalono – Tarptautinio kilogramo (IPK) – masės, kuri nuolatos kinta. Tuo tarpu fundamentaliosios gamtos konstantos yra nekintamos ir jų vertės turi būti tokios pačios Žemėje bei kosmose. Šią problemą išsprendžia naujosios SI vienetų apibrėžtys.

Naujosios SI apibrėžtys septynioms fundamentaliosioms konstantoms – kvantinio šuolio tarp cezio-133 atomo hipersmulkiosios sandaros lygmenų dažniui, šviesos greičiui vakuume, Planko konstantai, elementariajam krūviui, Bolcmano konstantai, Avogadro konstantai ir 540 × 10¹² Hz dažnio vienspalvės spinduliuotės šviesiniam veiksmingumui (efektyvumui) – suteikia tarsi SI vienetų etalonų statusą, o kiekvieno iš septynių pagrindinių SI vienetų vertė yra išvesta iš vienos arba kelių fundamentaliųjų konstantų verčių. Naujosios SI vienetų apibrėžtys palieka daugiau laisvės pasirenkant vienetų atkūrimo technologijas, tačiau reikalauja, kad pasirinktoji technologija būtų griežtai susieta su tam vienetui priskirta viena ar keliomis fundamentaliosiomis konstantomis.

Kai fizikinio dydžio vieneto vertė atkuriama pagal fundamentaliųjų konstantų vertes, tą vertę galima nepriklausomai atkurti skirtinguose nacionaliniuose metrologijos institutuose, taikant tą pačią ar skirtingas technologijas, o gautas vertes palyginti tarpusavyje ir taip užtikrinti atkuriamo vieneto metrologinę sietį.

Įgyvendinant CGPM 26-ojo posėdžio nutarimus, didžiausi pokyčiai laukia kilogramo ir ampero. Senoji ampero apibrėžtis yra susijusi su jėgos, veikiančios tarp dviejų laidininkų, kuriais teka elektros srovė, nustatymu. Tai yra labai sudėtingas ir netikslus elektrinės srovės stiprio vieneto atkūrimo metodas. Šiuolaikinėse laboratorijose amperas atkuriamas naudojantis Džozefsono įtampos ir kvantinio Holo efekto varžos etalonais, kurių taikymą metrologijoje dar 1988 metais įteisino CGPM Konsultacinis komitetas. Kadangi Džozefsono įtampa yra proporcinga santykiui h/(2·e), o kvantinio Holo efekto varža proporcinga dydžiui (h/e²), srovė yra proporcinga elementariajam krūviui e. Tai tenkina naująją elektrinės srovės ampero apibrėžtį.

Kilogramo padėtis kur kas sudėtingesnė. Pasaulyje šiandien egzistuoja vienintelis pirminis masės vieneto etalonas – tai BIPMe laikomas Tarptautinis kilogramo prototipas. Kai 2019 m. gegužės 20-ąją – Pasaulinę metrologijos dieną – įsigalios naujosios SI vienetų apibrėžtys, jis bus „nukarūnuotas“: iš pirminio taps antriniu ir bus privalu jį kalibruoti. Kol kas visų nacionalinių metrologijos institutų masės etalonai yra kalibruojami pagal Tarptautinį kilogramo prototipą.

Kyla klausimas – pagal kokį etaloną bus kalibruojamas dabartinis Tarptautinis kilogramo prototipas? Ruošiantis istoriniams SI sistemos pakeitimams, buvo parengtos rekomenduotinos kiekvieno SI vieneto atkūrimo technologijos. Vienas iš rekomenduojamų kilogramo atkūrimo būdų yra Kibble svarstyklių technologija. Kibble svarstyklės yra labai panašios į klasikines svarstykles su dviem lėkštelėmis, kurių viena skirta sveriamam objektui, o kita – kalibruotiems (etaloniniams) svareliams. Kibble svarstyklėse vietoje kalibruotų svarelių yra naudojama elektromagnetinė sistema, kurios jėga pakeičia etaloninių svarelių sunkio jėgą. Elektromagnetinės sistemos sukuriama jėga priklauso nuo šioje sistemoje veikiančių elektros srovės ir įtampos. Matuojant elektros srovę ir įtampą matavimo priemonėmis, veikiančiomis Džozefsono ir kvantinio Holo efektų pagrindu, elektromagnetinės sistemos sukuriama jėga susiejama su Planko konstantos verte. Kibble svarstyklėmis vieno kilogramo svarelį galima pasverti dešimtųjų mikrogramo dalių tikslumu. Tai yra tik vienas iš siūlomų būdų. Kitos pagrindinių SI vienetų verčių atkūrimo technologijos ir rekomendacijos yra pateiktos šiame BIPM svetainės puslapyje.

Rengiant SI vienetų verčių atkūrimo technologijas bei rekomendacijas, daug dėmesio buvo skiriama tam, kad jos būtų suderinamos su šiuo metu naudojamomis vienetų atkūrimo technologijomis. Tai reiškia, kad pramonėje, prekyboje ar moksle naudojamos matavimo priemonės nepraras savo teisinės galios ir galės būti sėkmingai naudojamos toliau. Tačiau nacionaliniai metrologijos institutai, kuriuose veikia aukščiausio metrologinio lygmens etalonai, privalės kai kurių SI vienetų atkūrimo technologijas pakoreguoti pagal naujai patvirtintas fundamentaliųjų konstantų vertes. Lietuvoje nacionalinio metrologijos instituto funkcijas vykdo Fizinių ir technologijos mokslų centras. FTMC Metrologijos skyriuje veikiančių temperatūros, bei įtampos etalonų techninių procedūrų laukia korekcijos.

Ši istorinė SI sistemos reforma yra ilgamečio ir kruopštaus mokslininkų darbo nustatant fundamentaliųjų konstantų vertes geriausiu įmanomu tikslumu rezultatas. Ją įgyvendinus gaulinai atsisakyta Tarptautinio kilogramo prototipo, kuris 130 metų atliko pirminio masės etalono vaidmenį. Patvirtintos naujos vienetų apibrėžtys leidžia nacionaliniams metrologijos institutams bei paskirtosioms laboratorijoms atkurti vienetų vertes pasitelkus įvairesnes technologijas. Taip pat atveriamos plačios perspektyvos kurti naujoms SI vienetų atkūrimo technologijoms, kurias galima būtų naudoti ne tik Žemėje, bet ir kosmose.

Rimantas Miškinis, Laiko ir dažnio etalono laboratorijos vedėjas, Metrologijos skyrius, Fizinių ir technologijos mokslų centras