2018 peut être qualifiée d'année fatidique en métrologie, car c'est le moment d'une véritable révolution technologique dans le système international d'unités de grandeurs physiques SI. Il s'agit de réviser les définitions des principales grandeurs physiques. Un kilo de pommes de terre au supermarché pèsera-t-il désormais d'une nouvelle manière ? Les pommes de terre C seront les mêmes. Quelque chose d'autre va changer.
Avant le système SI
Des normes communes en matière de poids et de mesures étaient nécessaires dans l'Antiquité. Mais les règles générales de mesure sont devenues particulièrement nécessaires avec l'avènement du progrès scientifique et technologique. Les scientifiques devaient parler dans un langage commun: un pied fait combien de centimètres ? Et qu'est-ce qu'un centimètre en France quand ce n'est pas la même chose qu'en italien ?
La France peut être qualifiée de vétéran honoraire et vainqueur de batailles métrologiques historiques. C'est en France en 1791 que le système de mesure fut officiellement approuvé et leurunités, et les définitions des principales grandeurs physiques ont été décrites et approuvées en tant que documents d'État.
Les Français ont été les premiers à comprendre que les quantités physiques devaient être liées aux objets naturels. Par exemple, un mètre a été décrit comme 1/40 000 000 de la longueur du méridien du nord au sud vers l'équateur. Il était donc lié à la taille de la Terre.
Un gramme a également été lié à des phénomènes naturels: il a été défini comme la masse d'eau dans un centimètre cube à un niveau de température proche de zéro (fonte des glaces).
Mais, il s'est avéré que la Terre n'est pas du tout une boule parfaite, et l'eau dans un cube peut avoir une variété de propriétés si elle contient des impuretés. Par conséquent, les tailles de ces quantités dans différentes parties de la planète différaient légèrement les unes des autres.
Au début du 19e siècle, les Allemands, dirigés par le mathématicien Karl Gauss, sont entrés dans l'entreprise. Il a proposé de mettre à jour le système de mesures centimètre-gramme-seconde, et depuis lors, les unités métriques sont entrées dans le monde, la science et ont été reconnues par la communauté internationale, un système international d'unités de grandeurs physiques a été formé.
Il a été décidé de remplacer la longueur du méridien et la masse d'un cube d'eau par les étalons qui étaient conservés au Bureau des poids et mesures à Paris, avec distribution de copies aux pays participant à la métrique convention.
Kilogram, par exemple, ressemblait à un cylindre fait d'un alliage de platine et d'iridium, ce qui finalement n'est pas non plus devenu une solution idéale.
Le système international d'unités de grandeurs physiques SI a été formé en 1960. Au début, il comprenait sixgrandeurs de base: mètres et longueur, kilogrammes et masse, temps en secondes, intensité du courant en ampères, température thermodynamique en kelvins et intensité lumineuse en candela. Dix ans plus tard, un autre leur a été ajouté - la quantité d'une substance, mesurée en moles.
Il est important de savoir que toutes les autres unités de mesure des grandeurs physiques du système international sont considérées comme des dérivées des grandeurs de base, c'est-à-dire qu'elles peuvent être calculées mathématiquement à l'aide des grandeurs de base du système SI.
Loin des standards
Les normes physiques se sont avérées ne pas être le système de mesure le plus fiable. L'étalon du kilogramme lui-même et ses copies par pays sont périodiquement comparés les uns aux autres. Les rapprochements montrent des changements dans les masses de ces normes, qui se produisent pour diverses raisons: poussière lors de la vérification, interaction avec le stand, ou autre. Les scientifiques ont remarqué ces nuances désagréables depuis longtemps. Le moment est venu de réviser les paramètres des unités de grandeurs physiques du système international de métrologie.
Par conséquent, certaines définitions des grandeurs ont progressivement changé: les scientifiques ont tenté de s'éloigner des normes physiques, qui d'une manière ou d'une autre ont modifié leurs paramètres au fil du temps. La meilleure façon est de dériver des quantités en termes de propriétés immuables, telles que la vitesse de la lumière ou les changements dans la structure des atomes.
A la veille de la révolution du système SI
Les principaux changements technologiques dans le système international d'unités de grandeurs physiques sont effectués par le vote des membres du Bureau international des poids et mesures lors de la conférence annuelle. Si elles sont approuvées, les modifications entreront en vigueur après quelquesmois.
Tout cela est extrêmement important pour les scientifiques dont les recherches et les expériences exigent la plus grande précision dans les mesures et les formulations.
Les nouvelles normes de référence 2018 aideront à atteindre le plus haut niveau de précision dans toutes les mesures, à n'importe quel endroit, à n'importe quel moment et à n'importe quelle échelle. Et tout cela sans aucune perte de précision.
Redéfinir les quantités dans le système SI
Elle concerne quatre des sept grandeurs physiques de base opératoires. Il a été décidé de redéfinir les grandeurs suivantes avec des unités:
- kilogramme (masse) en utilisant les unités de la constante de Planck dans l'expression;
- ampère (courant) avec mesure de charge;
- kelvin (température thermodynamique) avec expression unitaire utilisant la constante de Boltzmann;
- mole à travers la constante d'Avogadro (quantité de substance).
Pour les trois grandeurs restantes, le libellé des définitions sera modifié, mais leur essence restera inchangée:
- mètre (longueur);
- seconde (temps);
- candela (intensité lumineuse).
Change avec Amp
Qu'est-ce que l'ampère comme unité de grandeurs physiques dans le système SI international aujourd'hui, a été proposé en 1946. La définition était liée à la force du courant entre deux conducteurs dans le vide à une distance d'un mètre, précisant toutes les nuances de cette structure. L'imprécision et la lourdeur de la mesure sont les deux principales caractéristiques de cette définition du point de vue actuel.
Dans la nouvelle définition, un ampère est un courant électrique égal àflux d'un nombre fixe de charges électriques par seconde. L'unité est exprimée en charges d'électrons.
Pour déterminer l'ampère mis à jour, un seul outil est nécessaire - la soi-disant pompe à électron unique, qui est capable de déplacer des électrons.
Nouvelle taupe et pureté du silicium 99,9998 %
L'ancienne définition d'une taupe est liée à la quantité de matière égale au nombre d'atomes dans un isotope de carbone d'une masse de 0,012 kg.
Dans la nouvelle version, il s'agit de la quantité d'une substance contenue dans un nombre défini avec précision d'unités structurelles spécifiées. Ces unités sont exprimées à l'aide de la constante d'Avogadro.
Il y a aussi beaucoup de soucis avec le numéro d'Avogadro. Pour le calculer, il a été décidé de créer une sphère de silicium-28. Cet isotope du silicium se distingue par son réseau cristallin précis à souhait. Par conséquent, le nombre d'atomes qu'il contient peut être compté avec précision à l'aide d'un système laser qui mesure le diamètre d'une sphère.
On pourrait, bien sûr, affirmer qu'il n'y a pas de différence fondamentale entre une sphère en silicium-28 et l'alliage platine-iridium actuel. Cela et d'autres substances perdent des atomes avec le temps. Perd, c'est vrai. Mais le silicium-28 les perd à un rythme prévisible, donc des ajustements seront apportés à la référence tout le temps.
Le silicium-28 le plus pur pour la sphère a été récemment obtenu aux États-Unis. Sa pureté est de 99,9998 %.
Et maintenant Kelvin
Kelvin est l'une des unités de grandeurs physiques du système international et sert à mesurer le niveau de température thermodynamique. "A l'ancienne" il est égal à 1/273, 16parties de la température du point triple de l'eau. Le point triple de l'eau est un composant extrêmement intéressant. C'est le niveau de température et de pression auquel l'eau est dans trois états à la fois - "vapeur, glace et eau".
La définition de "boite sur les deux jambes" pour la raison suivante: la valeur du kelvin dépend principalement de la composition de l'eau avec un rapport isotopique théoriquement connu. Mais en pratique, il était impossible d'obtenir de l'eau avec de telles caractéristiques.
Le nouveau kelvin sera défini comme suit: un kelvin est égal à une variation d'énergie thermique de 1,4 × 10−23j. Les unités sont exprimées à l'aide de la constante de Boltzmann. Maintenant, le niveau de température peut être mesuré en fixant la vitesse du son dans la sphère gazeuse.
Kilogramme sans norme
On sait déjà qu'il existe à Paris un étalon de platine avec iridium, qui a en quelque sorte changé de poids lors de son utilisation en métrologie et dans le système des unités de grandeurs physiques.
La nouvelle définition du kilogramme est: un kilogramme est exprimé comme la constante de Planck divisée par 6,63 × 10−34 m2 · с−1.
La mesure de la masse peut désormais être effectuée sur les échelles "watt". Ne vous laissez pas tromper par le nom, ce ne sont pas les balances habituelles, mais l'électricité, ce qui est suffisant pour soulever un objet se trouvant de l'autre côté de la balance.
Des changements dans les principes de construction des unités de grandeurs physiques et de leur système dans son ensemble sont nécessaires, avant tout, dans les domaines théoriques de la science. Les principaux facteurs du système mis à joursont maintenant des constantes naturelles.
C'est la conclusion logique de nombreuses années d'activité d'un groupe international de scientifiques sérieux dont les efforts ont longtemps visé à trouver des mesures et des définitions idéales d'unités basées sur les lois de la physique fondamentale.
