Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)

В статті вперше дано новий погляд на метрологію. Вона розглядається в широкому та вузькому значеннях. У широкому значенні метрологія – це розділ фізики, завданням якої є вимірювання різних фізичних величин, розробка методів і засобів вимірювання, що забезпечують їх повсюдну єдність та відповідну точ...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2012
1. Verfasser:	Храмова-Баранова, О.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України 2012
Schriftenreihe:	Наука та наукознавство
Schlagworte:	Історія науки
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85927
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд) / О.Л. Храмова-Баранова // Наука та наукознавство. — 2012. — № 3. — С. 103-114. — Бібліогр.: 24 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-85927
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-859272015-09-03T03:02:04Z Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд) Храмова-Баранова, О.Л. Історія науки В статті вперше дано новий погляд на метрологію. Вона розглядається в широкому та вузькому значеннях. У широкому значенні метрологія – це розділ фізики, завданням якої є вимірювання різних фізичних величин, розробка методів і засобів вимірювання, що забезпечують їх повсюдну єдність та відповідну точність, утворення одиниць вимірювання фізичних величин та їх систем, створення їх еталонів, уточнення фундаментальних фізичних констант. У вузькому розумінні метрологія – технічна дисципліна, що займається створенням еталонів і зразкових вимірювальних засобів та їхньою перевіркою (прикладна метрологія). В статье впервые дан новый взгляд на метрологию. Она рассматривается в широком и узком значениях. В широком значении метрология – раздел физики, задачей которого являются измерения различных физических величин, разработка методов и средств измерения, обеспечивающих их повсеместное единство и соответствующую точность, образование единиц измерения физических величин и их систем, создание их эталонов, уточнение фундаментальных физических констант. В узком понимании метрология – техническая дисциплина, которая занимается созданием эталонов и образцовых измерительных средств и их проверкой (прикладная метрология). Evolution of the notion “metrology” is analyzed using its definitions over a hundred years and more, to show the vector of change in its content, thematic coverage and objectives. Analysis of the definitions and essential facts from the history of metrology and physics is made. It is shown that the notion “metrology” needs to be interpreted in broader and narrow sense. 2012 Article Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд) / О.Л. Храмова-Баранова // Наука та наукознавство. — 2012. — № 3. — С. 103-114. — Бібліогр.: 24 назв. — укр. 0374-3896 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85927 uk Наука та наукознавство Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Історія науки Історія науки
spellingShingle	Історія науки Історія науки Храмова-Баранова, О.Л. Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд) Наука та наукознавство
description	В статті вперше дано новий погляд на метрологію. Вона розглядається в широкому та вузькому значеннях. У широкому значенні метрологія – це розділ фізики, завданням якої є вимірювання різних фізичних величин, розробка методів і засобів вимірювання, що забезпечують їх повсюдну єдність та відповідну точність, утворення одиниць вимірювання фізичних величин та їх систем, створення їх еталонів, уточнення фундаментальних фізичних констант. У вузькому розумінні метрологія – технічна дисципліна, що займається створенням еталонів і зразкових вимірювальних засобів та їхньою перевіркою (прикладна метрологія).
format	Article
author	Храмова-Баранова, О.Л.
author_facet	Храмова-Баранова, О.Л.
author_sort	Храмова-Баранова, О.Л.
title	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)
title_short	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)
title_full	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)
title_fullStr	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)
title_full_unstemmed	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)
title_sort	метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)
publisher	Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Історія науки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/85927
citation_txt	Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд) / О.Л. Храмова-Баранова // Наука та наукознавство. — 2012. — № 3. — С. 103-114. — Бібліогр.: 24 назв. — укр.
series	Наука та наукознавство
work_keys_str_mv	AT hramovabaranovaol metrologíâevolûcíâzmístutazavdanʹnovijpoglâd
first_indexed	2025-07-06T13:16:23Z
last_indexed	2025-07-06T13:16:23Z
_version_	1836903599312994304
fulltext	Наука та наукознавство, 2012, № 3 103 Нині існує кілька підходів до висвіт- лення історії науки — через історію ідей та теорій, людей, які їх розробляють, від- криттів, понять, приладів та устаткуван- ня, наукових інституцій (соціальна істо- рія науки) тощо [1]. «История науки не ограничивается просто историей открытий и наблюде- ний,— зазначав видатний німецький фі- зик-теоретик В. Гейзенберг.— Она вклю- чает также историю понятий» [2, c. 235]. Першими поняттям науки в сучасно- му розумінні цього слова, які вона вико- ристовувала для описання різних фено- менів природи, були положення і швид- кість тіл, їх маса, сила, кількість руху, піз- ніше запровадили поняття потенціальної та кінетичної енергії (ХVІІ ст.). На них понад століття спиралося чимало точних наук. У ХІХ ст. англійські вчені М. Фара- дей, а потім Дж. Максвелл ввели понят- тя електромагнітного поля. З початком ХХ ст., зі створенням теорії відносності та квантової механіки, деякі традицій- ні поняття виявилися незадовільними і їх було замінено новими. Більш того, бурхливий розвиток некласичної науки, зокрема фізики, викликав безліч нових понять і примусив переглянути зміст ба- гатьох старих, навіть фундаментальних. Стосовно фізики це блискуче обґрунту- вав видатний український фізик-теоре- тик О.І. Ахієзер. «Почему необходимо образование новых понятий и концепций? — пи- сав він.— Именно потому, что мы хо- тим иметь не безжизненный набор ни- как несвязанных между собой опытных данных, а живую физическую теорию, охватывающую основные и главные и позволяющую с помощью необходимых для этого понятий и концепций предсказывать новые явления и факты» [3, c. 292]. Отже, подекуди саме поняття та його зміст з часом змінюються, відходячи від свого початкового, часто-густо етимо- логічного тлумачення, що можна про- стежити на багатьох прикладах з історії науки. Розглянемо еволюцію поняття «метрологія», залучивши для цього його дефініції за останні понад 100 років, з О.Л. Храмова-Баранова Метрологія: предмет і завдання (новий погляд) В статті вперше дано новий погляд на метрологію. Вона розглядається в широкому та вузькому значеннях. У широкому значенні метрологія – це розділ фізики, завданням якої є вимірювання різних фізичних величин, розробка методів і засобів вимірювання, що за- безпечують їх повсюдну єдність та відповідну точність, утворення одиниць вимірюван- ня фізичних величин та їх систем, створення їх еталонів, уточнення фундаментальних фізичних констант. У вузькому розумінні метрологія – технічна дисципліна, що за- ймається створенням еталонів і зразкових вимірювальних засобів та їхньою перевіркою (прикладна метрологія). © О.Л. Храмова-Баранова, 2012 ІСТОРІЯ НАУКИ О.Л. Храмова-Баранова Science and Science of Science, 2012, № 3104 яких видно, як змінювався її зміст, коло досліджуваних питань, вирішувані за- вдання. У відділі історії науки і техніки Центру досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. До- брова, де виконувалося дане дисертацій- не дослідження, це робиться не вперше. Подібний підхід в своїх дисертаційних роботах здійснили Л.П. Пономаренко з історії магнітооптики та А.С. Литвинко з історії статистичної фізики, наочно по- казавши, як це виглядає [4]. Наведемо низку визначень метрології з різних видань в хронологічному порядку. «Метрологія — наука про вимірюван- ня, про методи досягнення єдності і точ- ності, створення загальної теорії вимі- рювання, встановлення систем, методів і засобів вимірювань тощо» [5, с.9]. «Метрология — наука об измерениях и методах осуществления их повсемест- ного единства и требуемой точности» [6, Т.3, с.126]. «Метрология в современном понима- нии – наука об измерениях, методах и сред- ствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности» [7]. «Метрология – прикладная научная дисциплина, объектом изучения которой являются измерения физических величин, методы и средства обеспечения их един- ства и требуемой точности» [8, с. 296]. «Метрология – наука про измерения» [9]. «Метрологія — наука про вимірю- вання, яка відрізняється від інших при- родничих наук (математики, фізики та інших) тим, що її фундаментальні по- ложення приймаються за угодами, а не диктуються об’єктивними закономір- ностями» [10, с.7]. «Метрологія – галузь знань і вид діяль- ності, яка пов’язана з вимірюваннями» [11]. «Метрологія — наука про вимірюван- ня, методи та засоби забезпечення єд- ності вимірювань і способи досягнення необхідної їх точності» [12]. Проведений аналіз цих визначень, а також основних фактів з історії метроло- гії та фізики, які містяться в розділі «Хро- нологія» в книгах Ю.О. Храмова [1] та даній роботі, приводить до висновку, що поняття «метрологія» необхідно розгля- дати в широкому і вузькому значеннях. У широкому значенні (до нього близька дефініція метрології, яка міс- титься в третьому томі «Фізичної енци- клопедії», 1992 р.) метрологію можна визначити як розділ фізики про вимірю- вання різних фізичних величин, методи і засоби, які забезпечують їх повсюдну єдність та відповідну точність, про утво- рення одиниць вимірювання фізичних величин і їх систем, створення еталонів цих одиниць, уточнення фундаменталь- них фізичних констант [5–7]. Цей нетривіальний висновок щодо метрології як розділу фізики підтвер- джується самою природою фізики і всім ходом її розвитку. Адже вимірювання ле- жать в основі фізичної науки. Не випад- ково видатний німецький фізик-теоре- тик М. Планк в доповіді «Двадцять років роботи над фізичною картиною світу» го- ворив, що «построение физической нау- ки происходит на основе измерений» [13, c. 569]. А інший відомий нідерландський фізик-експериментатор Г. Камерлінг-Он- нес з нагоди вступу в 1882 р. на посаду професора Лейденського університету в своїй доповіді «Значення кількісних ви- мірювань у фізиці» сказав: «Я твердо убежден в том, что целью фи- зики являются количественные измере- ний и во всех физических экспериментах приоритет должен быть отдан установле- нию зависимостей, получаемых на осно- ве измерений тех или иных явлений. Над входом в каждую физическую лаборато- рию я поместил бы надпись: «от измере- ния — к знанию» [14, c. 102]. Якщо подивитися на хронологічну таблицю фізики [1, с. 505–737], то мож- МЕТРОЛОГІЯ: ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ (НОВИЙ ПОГЛЯД) Наука та наукознавство, 2012, № 3 105 на переконатися, що і в минулому, і нині майже всі основні результати в метроло- гії одержано фізиками і в рамках фізики. Чимало з цих результатів, які прямо або побічно стосуються метрології, відзна- чено багатьма Нобелівськими преміями з фізики [1, c. 738–744]. Це ще одне під- твердження, що метрологія у наведено- му вище сенсі — фізична наука. Тривалий час, наприклад астрофізика і космологія, вважалися розділами астрономії (це по- декуди трапляється і нині), хоч вони за- вжди були ближчими до фізики. Так, мо- нографія відомого американського фізи- ка і космолога Ф. Піблса називалася вже «Фізична космологія» (1975). В метрології як розділі фізики можна виділити теоретичну та експерименталь- ну. Ці напрями розвиваються в основному в тих країнах, які мають сучасну експери- ментальну базу і належне кадрове забез- печення для досягнення високої точнос- ті у вимірюваннях (метрологічні центри на кшталт Інституту науки і технології в США, Німецького фізико-технічного ін- ституту, Всеросійського науково-дослідно- го інституту оптико-фізичних досліджень). Щодо метрології у вузькому значенні, то її доцільно визначити як технічну дис- ципліну, що займається створенням ета- лонів і зразкових вимірювальних засобів та їх перевіркою [5]. Еталон — це міра або вимірювальний пристрій, який викорис- товують для відтворення, зберігання та передачі одиниць вимірювання якихось величин. Цю метрологію краще назвати прикладною, вона ближче до початкового поняття метрології як вчення про міри (від грецької метр — міра і логос — вчення) і саме це визначення (а також у нашій ін- терпретації, наведеній вище) дістало зна- чного поширення. Адже в більшості країн створено широку мережу метрологічних установ для вирішення завдань саме при- кладної метрології, в якій працює значна кількість власне метрологів. Розрізняють ще законодавчу метро- логію, яка забезпечує і контролює єдність вимірювань та їх засобів і слугує при- кладній метрології. При розгляді сучасної метрології слідуватиме дефініції, даній нами вище. Відповідно до неї, в структурі метрології можна виділити такі складові: вимірю- вання фізичних величин, одиниці їх ви- мірювання та їх системи, фундаменталь- ні фізичні константи та еталони. Перші три складові лежать в основі теоретичної та експериментальної метрології, в т.ч. квантової, четверта складова є основою прикладної метрології. Як і фізика сучасна метрологія з ча- сом набувала квантових рис. Тому так звана квантова метрологія розглядає ви- мірювання з використанням квантових явищ і розробляє квантові еталони [15]. Вимірювання. Це процес, результатом якого є одержання значення вимірюва- ної фізичної величини за допомогою ви- мірювальних засобів. Вимірювання дає змогу порівнювати теоретичні результати з експериментальними даними і є осно- вним і найдавнішим методом пізнання навколишнього світу. Однак одержаний результат внаслідок вимірювання в прин- ципі не може бути адекватним істинному значенню вимірюваної величини. Тому оцінюють похибку вимірювання, його точність. Саме підвищення точності ви- мірювань є одне з магістральних напрям- ків сучасної фізики. Наприклад, нині точність цезієвого атомного годинника становить 10–15. «В нашем очень сложном и посто- янно меняющимся мире важно быть уверенным в том, что ряд физических величин можно измерить и предсказать с высокой точностью, — говорив у своїй Нобелівській лекції «Страсть к точности» 8 грудня 2005 р. відомий німецький фі- зик Т. Хьонш.— Высокоточные измере- ния всегда привлекали меня как одна из О.Л. Храмова-Баранова Science and Science of Science, 2012, № 3106 самых красивых сторон физики. Появле- ние все более совершенных инструмен- тов для измерений позволяет заглянуть в неизведанные области. Не раз бывало так, что казавшиеся незначительными рас- хождения между результатами измерений и теоретическими предсказаниями при- водили к крупным открытиям в фунда- ментальной науке. Само рождение совре- менной науки тесно связано с искусством точных измерений» [16, c. 1368]. Для процесу фізичного пізнання за- вжди була характерною тенденція дослі- джувати явища у все менших просторо- во-часових масштабах у мікросвіті. Це була генеральна лінія фізики. При цьому щоразу у ньому відкривалися нові про- цеси, нові специфічні закономірності. У ньому і проблема точності вимірювань виглядає інакше, ніж у класичній фізиці. Відповідно до принципу невизначе- ності Гейзенберга (1927), тут (у кванто- вій механіці) не можна одночасно з од- наковою точністю виміряти, наприклад координату та імпульс частинки, тобто виміряти точно її координату, не спотво- ривши при цьому значення її імпульсу: ∆ρ∆x ≥ (співвідношення невизначе- ностей). Тут ∆ρ — неточність у визначенні імпульсу частинки, ∆x — невизначеність в її координаті, = / 2π — квант дії [17, с. 651]. Звідси випливає, що точність у вимі- рюванні ∆ρ та ∆x визначається сталою , яка обмежує точність при вимірюваннях мікрооб’єктів. Інакше кажучи, співвід- ношення невизначеностей обмежує за- стосування до мікрочастинок класичних понять та уявлень і описання їхнього ста- ну в термінах класичної механіки взагалі втрачає будь-який сенс. До того ж тут на спостереження, на процес вимірювання, впливають умови досліду і самий вимірювальний прилад, тобто виникає необхідність враховувати матеріальний характер акту спостере- ження, оскільки на мікрорівні спосо- би спостереження впливають на самий процес на відміну класичного описання «самого по собі». Виникає проблема вза- ємодії об’єкта вимірювання і суб’єкта, або вимірювального приладу. Одиниці фізичних величин та їх систе- ми. Під ними розуміють числові значен- ня конкретних фізичних величин (на- приклад, довжини, маси, часу, сили стру- му, електричного опору та заряду тощо), рівні одиниці [18]. Одержуються внаслі- док вимірювань, тому правильніше ска- зати — одиниці вимірювання фізичних величин (характеристик). Як відомо, спочатку (у період донау- кової метрології) виникли одиниці (міри) для вимірювання довжини, площі, маси, об’єму, часу (див. таблицю в додатках). У подальшому, з розвитком торгівлі, техні- ки, науки, кількість одиниць вимірюва- них фізичних величин зростала. До того ж у різних країнах і навіть в межах самих країн використовувані одиниці вимірю- вань не збігалися. Тому на часі постала необхідність в їх уніфікації та системати- зації, тобто утворення систем одиниць як сукупностей одиниць деяких фізичних величин (основних і похідних). Вже наприкінці ХVІІІ ст. у Франції введено метричну систему мір, яка зго- дом поширилася також в інших країнах, і на основі якої було розроблено між- народні уніфіковані одиниці довжини і маси та низку інших метричних систем одиниць вимірювання фізичних величин для використання в науці й техніці. Так, у 1791 р. за одиницю довжини прийнято одну сорокамільйонну частку Паризько- го меридіана, названу в 1795 р. метром, цього ж року запроваджено і метричну систему мір, а в 1799 р. вже виготовлено перший еталон метра у вигляді платино- іридієвого бруска, довжина між двома нанесеними на нього штрихами саме і дорівнює одному метру. Цей еталон ме- тра зберігався в Міжнародному бюро мір МЕТРОЛОГІЯ: ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ (НОВИЙ ПОГЛЯД) Наука та наукознавство, 2012, № 3 107 і ваги у Севрі (Франція) та використо- вувався до 1960 р., коли було прийнято Міжнародну систему одиниць (СІ). Також було введено і названо як основну одиницю маси кілограм. Ета- лон кілограма (прототип) являв собою платино-іридієву циліндричну гирю діа- метром і висотою 39,17 мм, зберігався в тому ж бюро в Севрі. В 1832 р. К. Гаусс запропонував так звану абсолютну систему одиниць, в якій основними одиницями були: одиницею довжини — 1 міліметр (мм), маси — 1 мі- ліграм (мг), часу — 1 с. В 1881 р. на Пер- Міжнародна система одиниць Сі [6, т. 3] О.Л. Храмова-Баранова Science and Science of Science, 2012, № 3108 шому міжнародному конгресі електриків у Парижі прийнято СГС систему оди- ниць, в якій основними були сантиметр (см), грам (г), секунда (с). В подальшому приймалися ще інші системи одиниць: електростатична СГС, або СГСЕ та елек- тромагнітна СГС, або СГСМ з основними одиницями 1 см, 1 г, 1 с; технічна система одиниць (МКГСС) з основними одини- цями 1 м, 1 кг сила, 1 с, МТС з 1 м, 1 г, 1 с; система Джорджі (1901) з основними одиницями 1 м, 1 кг, 1 с та 1 кулон (1 К). Нарешті, 1960 р. ХІ Генеральна кон- ференція з мір і ваги прийняла Міжна- родну систему одиниць (СІ), яка заміни- ла всі існуючі на той час системи одиниць і є універсальною, оскільки включає одиниці вимірювання з різних галузей науки і техніки [19]. Вона включала сім основних одиниць, дві додаткові і понад 30 похідних, які виводяться з основних (табл.). В подальшому до неї вносилися зміни, уточнення, зокрема нові одиниці або нові визначення старих, пов’язані з відкриттями в експериментальній фізи- ці (ефект Джозефсона, квантовий ефект Холла та ін.) та розробкою нових методів і засобів вимірювань і, як наслідок, під- вищенням точності вимірювань. Систе- му СІ прийняли до використання багато країн, зокрема в 1982 р. СРСР, в т.ч. Укра- їна. Система СІ як практична система одиниць уніфікувала та спростила систе- му вимірювань. Новим у системі СІ було визначення метра. Якщо з давнини доба була при- родною одиницею часу, то одиниці дов- жини – штучними і довільними. Тільки з 1791 р. почали використовувати стан- дарт довжини, заснований на геодезич- них вимірювань, а з 1799 р.— як метале- вий стержень. В 1892 р. А. Майкельсон порівняв довжину еталонного метра з довжиною світлової хвилі, одержавши шляхом спектроскопічних вимірювань 1553164,13 довжин хвиль червоної лінії кадмію (ще в 1890 р. він досяг високої когерентності цієї лінії). Так вперше було одержано перший природний стандарт одиниці довжини. В 1907 р. А. Майкель- сона «за створення прецизійних оптич- них інструментів і виконання з їх допо- могою спектроскопічних і метрологічних досліджень» удостоєно Нобелівської премії з фізики. Однак щодо металевих еталонів довжини залишалася негатив- на проблема їх теплового розширення. Тому, коли 1899 р. французький фізик Ш. Гійом винайшов сплави сталі (інвар та елінвар) з малим коефіцієнтом тепло- вого розширення, то їх почали викорис- товувати при виготовленні прототипів метра (Нобелівська премія з фізики за 1920 р.). Металеві метри ще тривалий час слугували метрології. Нарешті, в 1960 р. ХІ Генеральна конференція з мір і ваги визначила між- народний еталон довжини як «довжину, що дорівнює 1650763,73 довжини хвилі у ваку умі випромінювання, яке відповідає переходу між двома рівнями 2 р 10 і 5 d 5 ато- ма 86Kr»[19]. Це нове визначення метра і було взяти в систему СІ. У 1960 р. винайдено лазер, невдовзі розроблено лазерну спектроскопію висо- кої роздільної здатності, які революціоні- зували вимірювальну техніку. Було виріше- но визначити стандарт довжини на основі швидкості світла як точної величини. У ре- зультаті численних вимірювань з викорис- танням лазерної техніки швидкість світла с виявилася рівною 299 792 458 мс–1. Це зна- чення с одержано кількома лабораторіями стандартів і вважається точним. При цьому одиниця часу — секунда визначається це- зієвим еталоном часу (частоти) з точністю 10–14. У результаті в 1983 р. ХVІІ Генеральна конференція з мір і ваги визначила метр як «відстань, яку проходить у вакуумі плос- ка електромагнітна хвиля за 1/299 792 458 частки секунди». Отже, після одержання точного значення швидкості світла оптич- МЕТРОЛОГІЯ: ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ (НОВИЙ ПОГЛЯД) Наука та наукознавство, 2012, № 3 109 на частота, пов’язана з часом, стала слугу- вати і для визначення одиниці довжини, внаслідок чого було перевизначено метр і започатковано перевизначення низки одиниць в системі СІ. Так, в подальшому було запроваджено новий еталон вольта на основі ефекту Джозефсона, квантовий ета- лон опору (клітцинг) на основі квантового ефекту Холла, а також ампера, ватта тощо. Щодо часу, то він являє собою вели- чину, яку можна виміряти з величезною точністю. Наприкінці 80-х — на початку 90-х років ХХ ст. з використанням по- тужних лазерів і лазерної спектроскопії високої роздільної здатності створено чимало оптичних стандартів частоти, зо- крема оптичні частотоміри, засновані на поділі оптичних частотних інтервалів. В 1999–2000 рр. вже згадуваний фізик Т. Хьонш і незалежно американський фі- зик Дж. Холл розробили метод оптично- го частотного гребінця — когерентного ансамблю спектральних ліній, частоти яких визначаються простою формулою [16; 20]. Оптичний частотний гребінець формується фемто-секундним лазером з синхронізованими модами і, за висло- вом Т. Хьонша, є «своєрідною лінійкою в просторі частот для вимірювання вели- ких оптичних частотних інтервалів» [16, c. 1375]. Як наслідок, було значно спрощено вимірювання оптичних частот і підвищено його точність, а отже, і визначення часу (Нобелівська премія з фізики за 2005 р.). «Часовой механизм, который так дол- го искали ученые, теперь может быть ре- ализован на основе частотных гребенок, формируемых фемтосекундными лазера- ми — сверхточного измерительного при- бора, способного напрямую связывать и сравнивать оптические частоты с часто- тами радиоволнового диапазона без по- тери когерентности фаз,— говорив у своїй Нобелівській лекції Т. Хьонш.— Лазерные частотные гребенки представляют собой мощный инструмент для новых проверок фундаментальных физических законов… Фемтосекундные частотные гребенки уже успели стать стандартным инструментом высокоточной спектроскопии и оптичес- кой частотной метрологии…» [16, c. 1375]. Отже, зрослі можливості експери- ментальної фізики, нові методи і засоби, що застосовуються при вимірюваннях, відкрили і нові перспективи для розвитку новітньої, прецизійної метрології. Фундаментальні фізичні константи. В фізиці є низка особливих величин, які необхідно знати з якомога високою точ- ністю. Їх назвали фундаментальними фі- зичними сталими. Це універсальні коефі- цієнти в математичних виразах (рівнян- нях) фундаментальних фізичних законів природи та властивостей матерії [21; 22]. «Почему важно знать численные зна- чения фундаментальных постоянных с высокой точностью? — писали автори статті «Фундаментальні фізичні сталі».— Прежде всего потому, что количественные предсказания основных физических те- орий зависят от численных значений постоянных, входящих в эти теории. Для получения точного количественного описания физического мира существен- но располагать точным знанием этих численных значений. Точное определе- ние фундаментальных постоянных в раз- ного рода физических экспериментах, даже еще более важно по той причине, что оно позволяет проверить согласованность и правильность самих основных физичес- ких теорий» [21, с. 576]. Вони визначають точність, повно- ту та єдність наших уявлень про навко- лишній світ. Їх кількість може змінюва- тися внаслідок відкриття нових ефектів і створення нових узагальнюючих теорій. Нині фундаментальними фізичними кон- стантами є швидкість світла у вакуумі с, гравітаційна стала G, стала Планка h, заряд електрона е– і його маса m e , стала тонкої структури α, стала Больцмана k, О.Л. Храмова-Баранова Science and Science of Science, 2012, № 3110 число Авогодро N А та ін. Фундаментальні фізичні константи є природними масш- табами фізичних величин. Тут ми розгля- немо лише кілька з них. Швидкість світла с — швидкість по- ширення будь-яких електро-магнітних хвиль, в т.ч. світлових, є граничною швид- кістю розповсюдження взагалі збуджен- ня і незалежною від вибору системи ко- ординат, тобто с інваріантна при переході від однієї систем відліку до іншої. Впер- ше виміряти с спробував в 1607 р. Г. Га- лілей, він же висловив думку про те, що вона є скінченною величиною. Перший, хто виміряв с на основі астрономічних спостережень, був датський астроном О. Рьомер. Він одержав для с значення 214 000 км/с. До нього Дж. Порта, Й. Ке- плер, Р. Декарт та деякі інші вчені вважа- ли її нескінченною. В 1849 р. французь- кий фізик А. Фуко виміряв швидкість світла в лабораторії методом зубчастого колеса (313 274 км/с). В подальшому зусилля фізиків спрямовувалися на під- вищення точності у її вимірюваннях. У 1973 р. прийнято значення с=299 792 458 км/с (з похибкою ± 1,2 м/с). В 1905 р. А. Ейнштейн принцип сталості швидко- сті світла (висунутий в 1904 р. А. Пуан- каре) разом з принципом відносності по- клав в основу створеної ним спеціальної теорії відносності. Після цього с набула справді фундаментального статусу, ви- значаючи область релятивістських ефек- тів (входить в рівняння електродинаміки та релятивістської динаміки). Гравітаційна стала G — коефіцієнт у формулі закону всесвітнього тяжіння Ньютона, є універсальною константою природи, яка не змінюється з часом. В 1798 р. англійський вчений Г. Кавендіш за допомогою крутильних ваг уперше визначив G. Нині вона дорівнює 6,67428 (67)•10–11 м3/кгс2. Стала Планка h (або квант дії = / 2π) запроваджена М. Планком в 1900 р. в теорії теплового випромінюван- ня абсолютно чорного тіла, в якій вперше було використано його ідею квантування енергії, як коефіцієнт пропорційності у виразі ε = hv, де ε — енергія, v — частота (дорівнював у М. Планка 6,55•1027 ерг/с). Від цього бере початок квантова теорія і квантова фізика взагалі. В 1912–1914 рр. німецькі фізики Дж. Франк і Г. Герц екс- периментально підтвердили ідею кван- тування енергії випромінювання Планка (досліди Франка–Герца), отже, існуван- ня h. Нині h = 6,62606896(63)•10-34Дж•с. Фундаментальною фізичною сталою є також заряд електрона е–, або елементар- ний електричний заряд частинки, відкритої 1897 р. Дж. Томсоном (нині один з лепто- нів з першого покоління фундаментальних частинок). Заряд електрона є елементар- ним зарядом, який входить в мікроскопічні рівняння електродинаміки, зокрема в за- кон Кулона та у формулу для сталої тонкої структури α = e2/4πε 0 hc ≈ 1/137 (α характе- ризує інтенсивність електромагнітної вза- ємодії). В 1910–1914 рр. американський фі- зик Р. Міллікен серією експериментів довів дискретність електричного заряду і вперше з достатньою точністю методом масляних крапель виміряв заряд електрона — (1,592 ± 0,0017)•10-19 кулона (Нобелівська премія з фізики за 1923 р.). До фундаментальних фізичних сталих належить і маса електрона m e , яка в системі СІ 1960 р. дорівнює 9,1093897(54)•10–31 кг з поправкою 0,29. В одиницях маси електро- на вимірюються маси інших елементарних частинок. Стала Больцмана k є відношенням уні- версальної газової сталої R до числа Авога- дро N A , та входить до низки основних спів- відношень статистичної фізики, зокрема в рівняння Больцмана S=klnw, яке пов’язує ентропію фізичної системи S з імовірніс- тю її стану W. У Л. Больцмана зв’язок між S і W записувався так: S~ lnw. У 1906 р. М. Планк ввів у цей вираз коефіцієнт k, МЕТРОЛОГІЯ: ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ (НОВИЙ ПОГЛЯД) Наука та наукознавство, 2012, № 3 111 назвавши його сталою Больцмана. В ре- зультаті залежність S~ lnW перетворилася на закон S = klnW, що визначає напрямок протікання процесів у замкненій термо- динамічній системі, — закон зростання ентропії, яка, як згодом з’ясувалося, є по- казником еволюції системи. Найбільш точні значення фундамен- тальних фізичних констант отримують в результаті прецизійних вимірювань, з використанням нових методів, що є од- ним з найважливіших завдань метроло- гії. Адже при цьому одержуються нові, достовірніші, експериментальні резуль- тати на користь фундаментальних теорій (або проти). Це необхідно і тому, що дея- кі вчені розглядають можливість повіль- ної зміни фізичних констант з часом. І в цьому є рація. Так, згідно з законом Хаб- бла, швидкість віддаляння від нас галак- тик пропорційна відстані до них r: v=Hr, тут Н — коефіцієнт пропорційності, або стала Хаббла. Визначивши v i r з астро- номічних спостережень, можна обчис- лити Н. Закон Хаббла, встановлений на основі дослідів, свідчив про розширення нашого Всесвіту з сталою швидкістю, тобто був експериментальним доказом цього процесу. А величина, обернена Н, є його тривалістю від моменту виникнен- ня, тобто віком Всесвіту. Тому зусилля вчених від часу відкриття закону Хаббла було спрямовано на уточнення Н. Але в 1998–1999 рр. за результатами спосте- режень за далекими надновими зорями зроблено висновок про прискорене роз- ширення Всесвіту (Нобелівська премія з фізики за 2011 р.), тобто Н не є сталою величиною. Правда значення цього фак- ту полягало не тільки в тому, що спросту- вало незмінність в часі Н, а головне, що стало доказом існування у Всесвіті «тем- ної» енергії, яка є фактором, відповідаль- ним за його прискорене розширення, і описується космологічною сталою Λ. В результаті виникла сучасна космологіч- на модель розширювального Всесвіту — ΛCDM-модель. Отже, уточнення значень фундаментальних фізичних констант має непересічне значення як для самої метрології, так і для фізики в цілому, для підтвердження відкритих нею фундамен- тальних фізичних законів. Адже копітке повторне визначення фундаментальних констант удоскона- леними методами приводить, як прави- ло, до кращого розуміння пов’язаних з ними явищ. Наприклад, вимірювання відношення e/h на основі ефекту Джо- зефсона невдовзі після його відкриття в 1962 р. мало велике значення для сучас- ної квантової електродинаміки, оскіль- ки дало нове, точніше, значення сталої тонкої структури α, яка визначає інтен- сивність електромагнітної взаємодії. А це, в свою чергу, привело до перегляду й інших фундаментальних сталих. Річ у тому, що лише кілька фундаментальних сталих можна виміряти безпосередньо з високою точністю. Комбінуючи їх визна- чають уточнені значення решти. Взагалі ж значення якоїсь сталої ве- личини визначають різними експери- ментальними методами, а потім прово- дять їх узгодження, наприклад, методом найменших квадратів, запропонованим ще в 1809 р. німецьким ученим К. Гаус- сом. В результаті одержують найкращі значення узгоджених фундаментальних фізичних сталих. Так, у 1986 р. американ- ські фізики Р. Коен і Б. Тейлор здійснили таке узгодження та встановили нову сис- тему фундаментальних фізичних кон- стант (табл.) [23; 24]. «Разработка методов измерения вы- сокой точности, особенно для определе- ния значений фундаментальных посто- янных,— писали автори вже цитованої нами статті,— вызывает прогресс всей физики в целом» [21, c. 594]. Фундаментальні фізичні константи дають змогу наблизитися і до істинної сис- О.Л. Храмова-Баранова Science and Science of Science, 2012, № 3112 теми основних фізичних одиниць, засно- ваній на інваріантах. В 1899 р. М.Планк запропонував таку систему (першу спробу здійснив ірландський вчений Дж.Стоней). В роботі 1899 р. «Природні одиниці вимірювання» М. Планк писав: «…Не- трудно себе представить, что в другое вре- мя, при изменившихся внешних обстоя- тельствах, любая из употребляемых до настоящего времени систем единиц час- тично или полностью утратила бы свое первоначальное естественное значение. В связи с этим представляло бы интерес заметить, что, используя обе постоянные а и в, появившиеся в выражении … для энтропии излучения, мы получаем воз- можность установить единицы длины, массы, времени и температуры, которые не зависели бы от выбора каких-либо тел или веществ и обязательно сохраняли бы свое значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных, и не- человеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве «естественных единиц измерений». Для введения четырех единиц — длины, массы, времени и температуры — мы опираемся на обе упомянутые постоянные а и в, затем на величину скорости распространения света в вакууме с и на гравитационную постоянную f» [13, c. 232]. Тут М. Планк наводить значення цих чотирьох величин і робить такий висно- вок, що для вибору «природних одиниць» необхідно, щоб у новій системі мір кожна з чотирьох розглядуваних сталих дорівнюва- ла одиниці. Тоді для одиниці довжини одер- жимо величину –33 3 4,13 10bf c = ⋅ см, маси — –55,56 10bc f = ⋅ г, часу — 5 –431,38 10bf c = ⋅ с, Фундаментальні фізичні сталі [6, т. 5] МЕТРОЛОГІЯ: ПРЕДМЕТ І ЗАВДАННЯ (НОВИЙ ПОГЛЯД) Наука та наукознавство, 2012, № 3 113 для одиниці температури — а 5 323,50 10 C.c bf = ⋅ «Эти единицы сохраняют свое есте- ственное значение до тех пор,— зазначав М. Планк,— пока справедливы законы тя- готения, оба начала термодинамики и пока остается неизменной скорость распро- странения света в вакууме» [13, c. 233]. В сучасній інтерпретації планківські одиниці наведені вище, є комбінаціями фундаментальних фізичних констант c, G, h i K і мають вигляд: планківська довжина l p = ( G/c3)1/2 = 1,616252(81)•10-3 см; планківська маса m p = ( c/G))1/2 = 2,17644(11)•10-5 г; планківський час t p = 1/ k ( G/c5)1/2 = 5,39124(27)•10-44 с; планківська температура T p = 1/ k ( c5/G)1/2 = 1,416785(71)•1032K. Нині вони утворюють планківську систему одиниць, тобто природну систе- му одиниць фізичних величин на осно- ві фундаментальних фізичних констант, яка використовується в теорії елементар- них частинок (Великі об’єднання), кос- мології та квантовій теорії гравітації. Еталони. Встановлені в теорії одиниці вимірювання фізичних величин на прак- тиці вимагають зберігання, відтворення та передачі. Це досягається технічними засобами, які називаються еталонами одиниць цих величин. Вже з другої по- ловини ХХ ст. зусилля фізиків-метрологів спрямовані на розробку і реалізацію ета- лонів фізичних величин з використанням квантових явищ, тобто квантових етало- нів. Цим займається квантова метрологія [15; 17]. Так, створено квантові еталони довжини, часу, сили струму, електричної напруги опору, які включені до Міжна- родної системи одиниці (СІ). «Такое взаимопроникновение кван- товой физики и метрологии стало горячей темой последнего времени, — говорив у своїй Нобелівській лекції Дж. Холл.— Замечательные успехи метрологии вмес- те с достижениями космологии и астро- номии поддерживают и мотивируют наше стремление разобраться, точны ли и неизменны во времени те величины, которыми мы пользуемся для описания физического мира» [20, c. 1355]. Отже, одним з основних завдань ме- трології є вимірювання, які приводять до еталонів основних одиниць, розроблю- ваних на основі фізичних констант. Саме створення еталонів і зразкових засобів вимірювань, повірка мір і цих засобів ле- жить в основі нормативної бази метроло- гії, її метрологічних стандартів (приклад- на метрологія). 1. Храмов Ю.О. Фізика. Історія фундаментальних ідей, теорій та відкриттів / Храмов Ю.О. – К. : Фе- нікс, 2012. – 816 с. 2. Гейзенберг В. Шаги за горизонт.— М.: Прогресс, 1987. 3. Ахиезер А.И. Развивающаяся физическая картина мира / Ахиезер А.И. – Харьков : ННЦХФТИ, 1998. – 338 с. 4. Литвинко А.С. Становлення статистичної фізики в Україні (30–40 рр. ХХ ст.).— К.: Фенікс, 2009. 5. Российская метрологическая энциклопедия. – СПБ.: Лики России, 2001. – 840 с. 6. Физическая энциклопедия. – М. : Большая Российская энциклопедия, 1988–1998. – 5 т. 7. Бурдун Г.Д. Основы метрологии. – [3-е изд.] / Г.Д. Бурдун, Б.Н. Марков. – М. : Изд-во стандартов, 1985. – 256 с. 8. Новый политехнический словарь. – М. : Науч.изд. «Большая Российская энциклопедия». – 2000. – 672 с. 9. Енциклопедія Британіка : Режим доступу: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/378845/ metrology. 10. Величко О.М. Основи метрології, стандартизації та контролю якості / О. М. Величко, І.І. Дудич. – Ужгород : Видавничий центр УжДУ, 1998. – 284 с. О.Л. Храмова-Баранова Science and Science of Science, 2012, № 3114 11. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация / И.М. Лифиц. – [8-е изд., перераб. и доп.]. – М. : Юрайт-Издат, 2008. – 412 с. 12. Цюцюра В.Д. Метрологія та основи вимірювань / В.Д. Цюцюра, С.В. Цюцюра. – К.: Знання-Прес, 2003. – 180 с. 13. Планк М. Избранные труды / М. Планк. – М. : Наука, 1975. – 788 с. 14. Храмов Ю.А. Научные школы в физике.— К.: Наукова думка, 1987. 15. Квантовая метрология и фундаментальные константы: [сборник статей / пер. с англ.; под ред. Фаустова Р.Н. и др.]. – М. : Изд. Мир, 1981 – 368 с. 16. Хэнш Т. Страсть к точности (Нобелівська лекція з фізики 2005 р.) / Т. Хєнш // УФН. – 2006. – № 176. – С. 1368–1380. 17. К 50-летию квантовой механики // УФН. – 1977. – Т. 122. – Вып. 4. 18. Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности / Л.А. Сена. – [3-е изд.]. – М.: Наука, 1988. – 336 с. 19. Бурдун Г.Д. XI Генеральная конференция по мерам и весам / Г.Д. Бурдун // Успехи физических наук : Совещания и конференции. – Т. LXXVI. -– Вып. 2. – 1962. – С. 383–390.; Г.Д. Бурдун. Справочник по международной системе единиц.— М., 1980.— 3 вид. 20. Холл Дж. Определение и измерение оптических частот (Нобелівська лекція з фізики 2005 р.) / Дж. Холл // УФН. – 2006. – № 176. – С. 1353–1367. 21. Тейлор Б. Фундаментальные физические постоянные / Б. Тэйлор, Д. Лангенберг, У. Паркер // УФН. – 1971. – Т. 105. – С. 575–595. 22. Томилин К.А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом ас- пектах. – М.: Физматлит, 2006. – 368 с. 23. Cohen E., Taylоr B. The 1986 adjustment of the fundamental physical constants // Rev. Mod. Phys., 1987, v. 59, p. 1121. 24. Тейлор Б. Фундаментальные константы и квантовая электродинамика / Б. Тэйлор, В. Паркер, Д. Лангенберг. – М.: Атомиздат, 1972. – 327 с. Одержано 17.12.2012 О.Л. Храмова-Баранова Метрология: предмет і задачи (новий взгляд) В статье впервые дан новый взгляд на метрологию. Она рассматривается в широком и узком значениях. В широком значении метрология – раздел физики, задачей которого являются измерения различных физических величин, разработка методов и средств измерения, обеспечивающих их повсеместное единство и соответ- ствующую точность, образование единиц измерения физических величин и их систем, создание их эталонов, уточнение фундаментальных физических констант. В узком понимании метрология – техническая дисципли- на, которая занимается созданием эталонов и образцовых измерительных средств и их проверкой (прикладная метрология).

Метрологія: еволюція змісту та завдань (новий погляд)

Institution

Ähnliche Einträge