ЭТАЛОНЫ
Kandydat nauk technicznych L. BRYANSKIY.
W starożytnym Egipcie, odprowadzając w zaświaty zmarłego faraona, wśród innych cennych przedmiotów w grobowcu umieszczano kopię miary długości — «święty łokieć». Miernik spoczywał w świątyni i był pilnie strzeżony przez kapłanów. Obecnie naukowcy-metrolodzy tworzą etalony i sposoby przenoszenia ich odczytów na przyrządy pomiarowe oraz odkrywają nowe, doskonalsze metody dokładnego pomiaru. Same wzorce pomiarowe są złożonymi kompleksami aparaturowymi, zajmującymi dużą powierzchnię. W trzech centrach metrologicznych w Rosji przechowywanych jest 116 krajowych wzorców podstawowych i pochodnych jednostek miar. To bogactwo jest niezwykle cenne, gdyż błędy pomiarowe w każdej dziedzinie działalności człowieka powodują wiele problemów: przełom naukowy może nie zostać osiągnięty, a odchylenie od normy powoduje duże straty ekonomiczne w przemyśle. Nie sposób opowiedzieć o wszystkich standardach w artykule w czasopiśmie. Dlatego poprosiliśmy rosyjskiego honorowego metrologa Lwa Nikołajewicza Bryańskiego o opisanie tylko podstawowych etalonów — czasu, masy i długości.
Uzda na czas
Najbardziej precyzyjne zegary naręczne lub ścienne są miliardy razy przesunięte w stosunku do czasu odniesienia. Z kolei w życiu codziennym precyzja z dokładnością do mikrosekundy nie jest konieczna. Ale jest ona absolutnie niezbędna do badań kosmicznych, do systemów nawigacyjnych, kontroli ruchu lotniczego, transmisji telewizyjnej i radiowej oraz wielu innych celów.
Norma czasu jest szczególna. Wszystkie inne etalony są uruchamiane okresowo, aby porównać z nimi etalony wtórne i robocze. Ale etalonu, który utrzymuje skalę czasu, nie można zatrzymać, tak samo jak nie można zatrzymać czasu. To zawsze działa. Jest taki aforyzm: czas to bardzo proste pojęcie, dopóki nie spróbujesz go komuś wytłumaczyć. Nie bez powodu słowa te można odnieść także do normy czasu. Przypomina on delikatnie mówiąc zegar, a urządzenia i jednostki naukowe obsługujące standard zajmują spory budynek. Znajduje się on we Wszechrosyjskim Instytucie Badawczym Pomiarów Fizykochemicznych i Radiotechnicznych (VNIIFTRI) pod Moskwą.
Wzorzec czasu to skomplikowany kompleks, w skład którego wchodzą powtarzacze cezowe (generatory nadające ściśle określoną częstotliwość) i wodorowe utrzymywacze częstotliwości, utrzymywacze skali czasu, mierniki odstępów czasowych i inne urządzenia. Niektóre części normy są unikalne, na przykład mostek częstotliwości radiowo-optycznej, który służy do pomiaru częstotliwości emisji laserów. Na świecie oprócz Rosji taki most mają tylko Kanada, Francja, USA i Wielka Brytania. Rosyjska państwowa norma czasu należy do grupy najlepszych norm światowych; jej błąd względny nie przekracza 5 . 10 -14 , czyli 0,000000000005 sekundy. Za pół miliona lat norma da błąd jednej sekundy. (Na temat różnicy między czasem atomowym a astronomicznym, patrz. «Nauka i Życie», nr 11, 1976).
Od linijki do lasera
Pierwsza definicja metra to jedna dziesięciomilionowa część ćwiartki południka przechodzącego przez Paryż. Do 1799 roku Francuzi przeprowadzili niezbędne pomiary i wyprodukowali standard — platynową linijkę. Do dziś nazywany jest «metrem archiwalnym». Starsi ludzie pamiętają zapewne ze swoich szkolnych podręczników do fizyki rysunek linijki w kształcie litery X o długości 102 cm, na której znajdują się dwie grupy kresek. Odległość między środkowymi uderzeniami tych grup wynosiła 1 metr.
Stare standardy (linijka platynowo-irydowa oraz nowe lampy kadmowe i kryptonowe) nie pozwalały na wyznaczenie jednego metra z błędem mniejszym niż 10-7. To nie było wystarczająco dobre. Rozwój technologii, zwłaszcza elektroniki, wymagał bardziej precyzyjnych części. Aby stworzyć nowy standard, należało opracować nową definicję metra, która była związana ze znanymi stałymi, tzw. fundamentalnymi stałymi fizycznymi. Kuszące było zdefiniowanie metra w kategoriach czasu i prędkości. Mędrcy chaldejscy wpadli na pomysł: podczas specjalnego rytuału na poziomej platformie kapłan łapał wzrokiem pierwszy punkt pojawienia się Słońca na horyzoncie i podążał w jego kierunku; gdy tylko cały dysk wzniósł się ponad horyzont, kapłan zatrzymywał się i miejsce to było zaznaczane, określając w ten sposób miarę «etapów» — około 185 metrów.
Czas był jak najbardziej w porządku — błąd jego wzorca był setki tysięcy razy mniejszy niż błąd metra. Pojawiły się jednak problemy z szybkością. Nadawała się tylko jedna stała fundamentalna — prędkość światła w próżni, ale błąd wyznaczenia jej wartości nie mógł być mniejszy niż błąd normy metrowej (bo prędkość to te same metry na sekundę). Utworzył się zaczarowany krąg. Złamali go, przyjmując nieortodoksyjne rozwiązanie: uznać najbardziej wiarygodną zmierzoną wartość prędkości światła za prawdziwą, czyli nie posiadającą błędu. W ten sposób powstała nowa definicja metra — jest on równy drodze przebytej przez światło w próżni w czasie 1/2999792458 części sekundy, a metr dostał się w «wasalną zależność» od czasu.
Rosyjski wzorzec długości jest przechowywany w Wszechrosyjskim Naukowym Instytucie Metrologii im. D.I. Mendelejewa w Petersburgu. Jego główne części to źródło promieniowania optycznego o znanej długości fali (laser) oraz interferometr — urządzenie zliczające liczbę fal na badanej próbce.
700 ton przy podstawie 1 kilograma
Współczesne wzorce pomiarowe to z reguły skomplikowane kompleksy aparaturowe. Wzorcem masy była i pozostaje platynowo-irydowa waga «z 1889 roku» (dokładnie w tym czasie Międzynarodowe Biuro Miar i Wag wyprodukowało 42 wzorcowe kilogramy). Istota samej operacji pomiarowej również pozostała taka sama i sprowadza się do porównywania dwóch mas poprzez ważenie. Wynaleziono oczywiście wagi ultraczułe, wzrosła dokładność ważenia, co doprowadziło do nowych odkryć naukowych (odkryto na przykład argon i inne gazy obojętne), ale wzorzec masy nadal jest źródłem bólu głowy metrologów na całym świecie.
Kilogram nie jest związany ze stałymi fizycznymi ani ze zjawiskami przyrodniczymi. Dlatego standardu strzegą z większą troską niż jabłka ich oczu — dosłownie nie pozwalają, by osiadła na nim choćby drobina kurzu, bo drobina kurzu reprezentuje kilka podziałek w czułej skali. Międzynarodowy prototyp normy jest wyjmowany z magazynu nie częściej niż raz na piętnaście lat, a prototyp rosyjski raz na pięć lat. Wszystkie prace wykonuje się z wtórnymi wzorcami pomiarowymi (tylko one mogą być porównywane z pierwotnym); z wtórnego wzorca pomiarowego wartość masy przenosi się do roboczych wzorców pomiarowych, z nich — do wzorcowego zbioru wag.
Z upływem lat norma kilogramów staje się cieńsza lub grubsza. W zasadzie nie da się określić, co się z nią dzieje — ujednolicenie wszystkich norm masowych wyrządza niedźwiedzią przysługę. Dlatego wiele światowych laboratoriów metrologicznych intensywnie poszukuje nowych sposobów tworzenia i definiowania wzorca kilograma. Na przykład jest pomysł, aby powiązać go z woltem i omem, jednostkami wielkości elektrycznych, i zważyć jednostką prądu — amperem — standardem wagowym. Teoretycznie można sobie wyobrazić wzorzec kilograma w postaci idealnego kryształu, zawierającego znaną liczbę atomów pewnego pierwiastka chemicznego (dokładniej — jednego z jego izotopów). Jednak metody hodowli takich kryształów nie są jeszcze znane.
Krótko mówiąc, możemy być u progu rewolucyjnego odkrycia w metrologii. Ale póki co «kapryśny kilogram» wymaga wielkiego szacunku. Wagi referencyjne w VNIIM imienia D.I. Mendelejewa są zainstalowane na specjalnym fundamencie o masie 700 ton, nie połączonym ze ścianami budynku, aby wykluczyć wpływ drgań. Temperatura w pomieszczeniu, w którym na wadze umieszczane są dwa kilogramowe odważniki w ciągu doby, utrzymywana jest z dokładnością do 0,01 oC, a wszystkie operacje wykonywane są z pomieszczenia obok za pomocą manipulatorów. Niepewność rosyjskiej masy odniesienia nie przekracza
+
0,002 mg.
Kiedy niepewność nie jest grzechem
Ustanowienie i funkcjonowanie standardów wymaga zarówno dużego zaplecza, jak i wysokich kosztów. Wspomnieliśmy już o wielotonowym fundamencie normy kilograma, nie mniej «lekki» fundament ma most radiowo-optyczny normy czasu. Wzorzec metrowy «składa się» z pięćdziesięciometrowego interferometru do legalizacji przewodów pomiarowych i taśm mierniczych; wzorzec ciśnienia akustycznego w wodzie ma basen hydroakustyczny z 360 tonami odgazowanej («airless» — bez rozpuszczonego powietrza) wody. Wzorzec gęstości strumienia neutronów otoczony jest masywnymi betonowymi ścianami; wzorce natężenia pola elektrycznego i magnetycznego mieszczą się w dużych halach wyposażonych w specjalne osłony pochłaniające. Unikalne wyposażenie do badań obejmuje podstawę naziemną o masie 2500 ton, zawieszoną na sprężynach.
Dokładność nie jest więc tania. Jednak różnice w dokładności pomiędzy poszczególnymi normami są ogromne i wynoszą od 5 . 10 -14 do 2,5 . 10 -3, czyli sto miliardów razy. Dlaczego? Po pierwsze, nikt nie zajmuje się redukcją błędów wzorców pomiarowych, kierując się jedynie naukową ciekawością — o wszystkim decydują wymagania nauki i techniki. Dlatego mogą istnieć unikalne obiekty doświadczalne, których błąd (podczas eksperymentu) jest mniejszy niż w przypadku niektórych standardów państwowych. Z czasem na bazie takich obiektów powstaje nowa generacja standardów państwowych.
Po drugie, metrologowie napotykają na zasadnicze trudności związane z właściwościami (istotą fizyczną) wzorcowanych wielkości. Na przykład natężenia pola elektrycznego i magnetycznego muszą być mierzone w wolnej przestrzeni, co nie jest łatwe do stworzenia w pomieszczeniach. Jeszcze trudniejsze jest zapewnienie wymaganej konfiguracji pola. Dlatego za całkiem akceptowalny uważa się błąd wynoszący około jednego procenta normy. Nie mniejsze trudności napotykają specjaliści od promieniowania jonizującego. Nakłonienie cząstek elementarnych do oddania całej swojej energii w kalorymetrze jest z gruntu rzeczy zadaniem niemożliwym. Należy tolerować błędy do pięciu procent.
Z czym jednak trudno się pogodzić — z krótkowzrocznym stosunkiem mocarstw do metrologii, który ujawnił się w ostatnich latach. Poziom bazy referencyjnej danego kraju decyduje ostatecznie o konkurencyjności jego produktów na rynku międzynarodowym, rozwoju nauki, a nawet prestiżu państwa. Bismarck powiedział kiedyś: «Kraj, który nie może utrzymać własnej armii, będzie utrzymywał cudzą». Bez standardów, bez jednolitości pomiarów nie możemy się obejść. Jeśli nie będziemy mieli własnych standardów, będziemy musieli płacić za cudze. A cena będzie wysoka.
