З 2018 року фізичну одиницю Кельвін не визначатимуть за допомогою потрійної точки, що коливається. Натомість основою для міжнародної системи одиниць (СI) має стати інша фізична стала – константа Больцмана k. На це очікують, бо нещодавно вчені змогли визначити цю величину за допомогою другого достатньо точного методу. Так на шляху до нового обчислення Кельвіна більше немає перешкод.
Для перевизначення одиниці виміру температури Кельвін необхідні були два різні методи для точного вимірювання сталої Больцмана. Це нещодавно вдалося. Фото: PTB.
До 2018 року науковці хочуть перевести основні одиниці вимірювання на міцний, стійкий і незмінний фундамент – фізичні константи. Для метра і секунди це вже вдалося, щодо моля, ампера та кілограма дослідники вже наближаються до необхідної точності у вимірюваннях референтних величин.
Одиниця вимірювання температури Кельвін ще не переведена на фізичну константу. Його визначення дотепер ґрунтується на потрійній точці води. При цій температурі вода є водночас твердою, рідкою і газоподібною. Проблема в тому, що точна точка залежить від складу ізотопів води, тобто вона коливається.
Однак уже з 2018 року стала Больцмана k може стати фізичною константою, що ляже в основу Кельвіна. Вона позначає залежність термічної енергії газів (відповідно і руху газових частинок) і температури. Проте аби ця величина стала референтною для одиниці міжнародної системи Кельвіна, її потрібно вирахувати двома різними методами з похибкою меншою, ніж мільйонна частка.
Власне цю умову можна відтепер вважати виконаною. Адже після того, як учені досягнули необхідної точності вимірювання завдяки так званому акустичному газовому термометру, Крістофу Ґайзеру (Christof Gaiser) та його колегам з Фізично-технічного федерального управління (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, PTB) вдалися здійснити й друге обчислення.
Для цього дослідники з PTB сконструювали так званий газовий термометр для вимірювання діелектричної проникності. При цьому взяли до уваги той факт, що благородний газ гелій як діелектрик змінює об’єм конденсатора. Електричними вимірюваннями можна виміряти густину газів і температуру – й відповідно визначити сталу Больцмана.
Цими вимірюваннями Ґайзер та його команда досягнули похибки вимірювання меншої, ніж дві мільйонні частки (ppm). Тобто вимоги міжнародної комісії виконані. На основі цих даних у вересні 2017 року Комітет з даних для науки і техніки (Committee on Data for Science and Technology, CODATA) має встановити офіційне значення для константи Больцмана k. Тобто шлях новому визначенню Кельвіна на основі фізичної константи можна вважати відкритим. А восени 2018-го це може означати вільний шлях для нової міжнародної системи одиниць.
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 04.04.2017
Зреферувала Соломія Кривенко
06.04.2017