Что такое эталон в физике?

Эталон — это средство измерений, которое служит для хранения и воспроизведения единицы физической величины с целью обеспечения единства измерений. Эталоны используются в качестве «отправной точки» при измерении различных величин.

Эталон должен обладать следующими свойствами: он должен быть легко воспроизводимым и не зависеть от внешних условий.

Эталон времени

Измерения времени основаны на процессах, период которых должен быть постоянен с достаточно большой точностью. Если вы были ученым в XVIII веке, то на ум бы вам сразу же пришло вращение Земли вокруг своей оси. Тогда секунду можно было бы определить как 1/86400 части солнечных суток. Со временем оказалось, что под влиянием приливов и отливов, продолжительность земных суток была неравномерна, т.е. вращение Земли не подходит на роль эталона.

В настоящее время эталон времени основан на квантовых эффектах. Единица времени получила новое определение, секунда — «интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133».

Почему выбрали именно цезий? Цезий имеет стабильную частоту колебаний, которая не зависит от температуры, давления и других факторов окружающей среды. Его частоту можно легко измерить с помощью различных методов, включая магнитный резонанс с атомным пучком, микроволновую спектроскопию и атомные часы. То, что нужно для эталона!

Эталон длины

Мы привыкли измерять длину в метрах. Метр — единица измерения длины в Международной системе исчисления, одна из семи основных единиц СИ. Впервые понятие метра появилось во Франции в период Великой французской революции. Учёные того времени решили заимствовать единицу измерения длины, так сказать, из самóй природы, и в качестве неизменного прототипа длины специальная комиссия Французской академии наук предложила взять длину одной десятимиллионной доли четверти Парижского меридиана. Это расстояние и назвали метром. Позже изготовили образец в виде в виде платиновой линейки, которых хранился в архиве Французской республики.

Потом казалось, что вследствие всё возрастающей точности геодезических измерений значения метра и соответствующей части меридиана будут расходиться. Кроме того, длина меридианов не остаётся строго постоянной из-за смещения полюсов. Опять нарушаются требования к эталону физической единицы измерения.

Новое решение нашлось, когда удалось измерить скорость света с высокой точностью. Современное определение метра в терминах времени и скорости света было принято XVII Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1983 году. Теперь метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1⁄299 792 458 секунды.

Эталон массы

С 1901 года килограммом считалась масса, равная массе прототипа из платины и иридия, хранящегося в Международном бюро мер и весов в городке Севр недалеко от Парижа. Когда-то этот эталон создали для того, чтобы по всему миру привести меру массы к единому стандарту. Несмотря на то, что слиток хранился под тремя герметичными колпаками, все-таки менялся, теряя примерно по 50 микрограммов за 100 лет.

XXVI Генеральная конференция мер и весов, которая прошла в ноябре 2018 года, решила использовать для определения килограмма не материальный предмет, а постоянную Планка. Эта физическая константа определяет связь энергии квантов излучения с частотой, значение которой фиксированное и равно 6.62607015×10^-34 кг*м²/с.