Tento článek patří mezi dobré v české Wikipedii. Kliknutím získáte další informace.

Nové definice SI

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Mezinárodní prototyp kilogramu bude už jen historickým artefaktem. (Na snímku je kopie č. 4 v NIST, USA.)

Mezinárodní výbor pro míry a váhy (CIPM) navrhl v roce 2011 změnu definic základních jednotek soustavy SI,[1][2] která může vstoupit v platnost po 25. zasedání Generální konference pro míry a váhy (CGPM) v roce 2014 anebo později.[3] Sada sedmi základních jednotek jako taková zůstane zachována: metr, kilogram, sekunda, kelvin, ampér, kandelamol. Stávající definice sekundy, metru a kandely jsou považovány za vyhovující, a proto se změní jen jejich formulace s ohledem na jednotný formát pro všechny jednotky. Definice kilogramu, ampéru, kelvinu a molu ale budou principiálně změněny, aby každá z těchto jednotek byla pevně spjata s určitou neměnnou vlastností přírody. Důležitým požadavkem na nové definice je samozřejmě zpětná kompatibilita, tedy aby nové jednotky byly stejně velké jako stávající s maximální dostupnou přesností.

Motivace ke změně[editovat | editovat zdroj]

Vzájemné závislosti současných jednotek SI; prototyp kilogramu ovlivňuje 4 ze 7 jednotek.

Kilogram je jako poslední z jednotek SI definován fyzickým etalonem, mezinárodním prototypem kilogramu, se kterým je třeba porovnávat hmotnosti všech ostatních těles. Nelze ovšem zaručit, že hmotnost prototypu je absolutně stálá. Porovnávání s kanonickými kopiemi spíše naznačuje, že relativní nejistota je v řádu 10−8, tedy že hmotnost prototypu se přes veškerou snahu časem mění řádově o desítky mikrogramů. Přitom na definici kilogramu v současnosti závisí i jednotky ampér, mol a kandela, takže i jejich hodnoty mohou být považovány za časově ne zcela stabilní. Z těchto důvodů vznikla iniciativa definovat všechny jednotky pouze slovně, na základě neměnných vlastností přírody, k jejichž realizaci není potřeba konkrétní etalon.

Současná definice kelvinu, jednotky termodynamické teploty, je vázána na pevnou vlastnost přírody: teplotu trojného bodu vody. To se zdá být principiálně správné, ale praktická realizace naráží na problémy. Přesná teplota trojného bodu až příliš závisí na chemické čistotě a izotopovém složení použité vody. Navíc je technicky obtížné tuto definici používat při velmi nízkých teplotách, blízkých absolutní nule. Proto i kelvin má být definován novým způsobem.

Současná definice ampéru (a všech jednotek od něj odvozených) na základě magnetické síly působící mezi nekonečně dlouhými vodiči s elektrickým proudem rovněž naráží na problémy při praktické realizaci. Z toho důvodu už mnoho národních standardizačních úřadů používá etalony elektrických veličin založené na kvantovém Hallově jevu resp. Josephsonově jevu, jejichž elektrický odpor resp. elektrické napětí má fyzikálně jednoznačný vztah k hodnotě Planckovy konstanty a elementárního náboje. Navrhované definice se přizpůsobují této praxi.

Základní idea nových definic[editovat | editovat zdroj]

V minulosti se velmi osvědčily stávající definice jednotek sekunda a metr. Pouze tyto dvě jednotky zůstanou v novém systému absolutně stejně velké jako dříve. Sekunda je definována na základě vlastností atomu cesia, které jsou považovány za zcela stabilní, a v praxi je úspěšně realizována atomovými hodinami (tzv. cesiový standard). Metr je definován s využitím předchozí definice sekundy na základě pevné hodnoty rychlosti světla ve vakuu, která patří mezi základní fyzikální konstanty. Praktičnost těchto definic motivuje snahu formulovat definice ostatních jednotek stejným způsobem: stanovením přesné číselné hodnoty určité fyzikální konstanty.

Pro snazší pochopení nového systému a zdůraznění této základní myšlenky budou definice všech 7 základních jednotek přeformulovány tak, aby byla explicitně uvedena konstanta, jejíž číselná hodnota je definicí fixována. Jde o principiálně stejný způsob, jakým se ve fyzice běžně definují přirozené jednotky.

Volba konstant[editovat | editovat zdroj]

Definice sedmi základních jednotek vyžaduje stanovit číselné hodnoty vybraných sedmi fyzikálních veličin, které jsou obecně považovány za konstantní. CIPM ve svém návrhu volí tyto konstanty:

Symbol X v číselných hodnotách konstant bude nahrazen jednou nebo více číslicemi, které budou stanoveny po vyhodnocení všech relevantních měření dostupných v době přijetí nového systému.

Znění definic[editovat | editovat zdroj]

Návrhy nových definic jednotek jsou uvedeny v takovém pořadí, aby každá závisela pouze na definicích uvedených výše. Z toho je zřejmé, že nenastává definice kruhem. Pro srovnání jsou uvedeny i definice platné v současnosti. Symbol X má stejný význam jako v předchozí sekci.

Sekunda[editovat | editovat zdroj]

Stávající znění
Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133.

Později bylo upřesněno, že atom cesia musí být v klidu a teplota pozadí blízká 0 K. Ze třetího zákona termodynamiky plyne, že teplota absolutní nuly je nedosažitelná. Lze se k ní však libovolně přiblížit. Podmínku nulové termodynamické teploty je třeba chápat tak, že cesiové hodiny musí provádět korekce s ohledem na teplotu pozadí.

Návrh nové definice
Sekunda „s“ je jednotka času; její velikost je určena číselnou hodnotou frekvence záření atomu cesia 133 v klidu při teplotě absolutní nuly při přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu, která je rovna přesně 9 192 631 770, je-li vyjádřena v jednotkách s−1, což je ekvivalent jednotky Hz.

Nová formulace je obsahově zcela shodná se stávající. Liší se jen formálně, aby měla stejný formát jako ostatní navrhované definice, čímž vynikne idea, že každá jednotka je svázána s určitou neměnnou vlastností přírody.[pozn. 1]

Metr[editovat | editovat zdroj]

Stávající definice
Metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za dobu 1/299 792 458 sekundy.
Návrh nové definice
Metr „m“ je jednotka délky; jeho velikost je určena číselnou hodnotou rychlosti světla ve vakuu, která je rovna přesně 299 792 458, je-li vyjádřena v jednotkách m s−1.

Také zde jsou obě formulace ekvivalentní. Definicí metru je přesně stanovena vlnová délka mikrovlnného záření, které je uvedeno v definici sekundy, vztahem

\lambda = \frac{c}{f} = \frac{299792458}{9192631770}\,\mathrm{m} \approx 3{,}2612\dots\,\mathrm{cm}\,.

Porovnání neznámé vzdálenosti s touto vlnovou délkou lze provádět interferometricky.

Kilogram[editovat | editovat zdroj]

Stávající definice
Kilogram je jednotka hmotnosti; je rovna hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.
Návrh nové definice
Kilogram „kg“ je jednotka hmotnosti; jeho velikost je určena číselnou hodnotou Planckovy konstanty, která je rovna přesně 6,626 06X × 10−34, je-li vyjádřena v jednotkách s−1 m2 kg, což je ekvivalent jednotky J s.

Toto je nejpodstatnější z navrhovaných změn. Definice založená na prototypu je v platnosti již od první konference CGPM v roce 1889 a dnes je zřejmé, že má své meze. Spojení se základní fyzikální konstantou nově umožní, aby velikost kilogramu a všech jednotek od něj odvozených byla spolehlivě časově stabilní. Planckova konstanta h je základní konstantou kvantové teorie, kde určuje mimo jiné vztah mezi energií a frekvencí fotonu: E=hf. Speciální teorie relativity poskytuje vztah mezi energií a hmotností, kde konstantou úměrnosti je rychlost světla ve vakuu: E=mc². Tyto dva fyzikální zákony umožňují odvodit definici kilogramu od číselné hodnoty Planckovy konstanty. Měření hmotnosti podle nových definic prakticky umožňují wattové váhy, přičemž se využije i nová definice ampéru.

Ampér[editovat | editovat zdroj]

Stávající definice
Ampér je stálý elektrický proud, který protéká dvěma rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči o zanedbatelném průřezu umístěnými ve vakuu 1 m od sebe, jestliže mezi vodiči působí magnetická síla o velikosti 2×10−7 newtonu na jeden metr délky vodiče.

Vyjádřeno jinými slovy: „Permeabilita vakua \mu_0 má hodnotu přesně 4\pi\times 10^{-7} H/m.“

Návrh nové definice
Ampér „A“ je jednotka elektrického proudu; jeho velikost je určena číselnou hodnotou elementárního náboje, která je rovna přesně 1,602 17X × 10−19, je-li vyjádřena v jednotkách s A, což je ekvivalent jednotky C.

Zafixování elementárního náboje a Planckovy konstanty stanovuje přesně také hodnotu Josephsonovy konstanty K_{\mathrm J} = 2e/h \approx 484\,\mathrm{THz/V} a von Klitzingovy konstanty R_{\mathrm K} = h/e^2 \approx 25{,}8\,{\mathrm k\Omega}, které se vyskytují ve vztazích pro Josephsonův jev resp. kvantový Hallův jev. Tímto způsobem lze vytvořit etalony elektrického napětí U a elektrického odporu R. Realizace ampéru je pak založena na aplikaci Ohmova zákona I=U/R. Druhou možností je využití jednoelektronové pumpy s přesným taktováním, čímž by byl uzavřen tzv. metrologický trojúhelník.[pozn. 2]

Kelvin[editovat | editovat zdroj]

Stávající definice
Kelvin, jednotka termodynamické teploty, je rovna zlomku 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody.
Návrh nové definice
Kelvin „K“ je jednotka termodynamické teploty; jeho velikost je určena číselnou hodnotou Boltzmannovy konstanty, která je rovna přesně 1,380 6X × 10−23, je-li vyjádřena v jednotkách s−2 m2 kg K−1, což je ekvivalent jednotky J K−1.

Boltzmannova konstanta k je základní konstantou statistické fyziky, kde spojuje entropii s rozdělením pravděpodobnosti mikrostavů systému. Jako konstanta úměrnosti se objevuje ve stavové rovnici ideálního plynu. Určuje také vztah mezi teplotou plynu a pohybovou energií jeho molekul (ekvipartiční teorém). Nová definice kelvinu umožňuje převést měření teploty na měření energie částic, což je v mnoha případech jednodušší, zejména při teplotách extrémně vysokých nebo nízkých.

Mol[editovat | editovat zdroj]

Stávající definice
Mol je látkové množství systému, který obsahuje stejný počet elementárních entit, kolik je atomů v 0,012 kg uhlíku 12C.

Tato definice svazuje látkové množství s hmotností. Lze ji vyjádřit slovy: „Relativní atomová hmotnost uhlíku 12 je přesně 12.“

Návrh nové definice
Mol „mol“ je jednotka látkového množství; jeho velikost je určena číselnou hodnotou Avogadrovy konstanty, která je rovna přesně 6,022 14X × 1023, je-li vyjádřena v jednotkách mol−1.

Z nové definice je více zřejmé, že látkové množství n je veličina zcela nezávislá na ostatních 6 základních veličinách a jednoduše odpovídá počtu N částic vybraného typu ve vzorku látky n=N/N_{\mathrm A}.

Kandela[editovat | editovat zdroj]

Stávající definice
Kandela je svítivost zdroje, který vydává monochromatické záření o frekvenci 540×1012 Hz, jehož intenzita v daném směru je 1/683 wattů na steradián.
Návrh nové definice
Kandela „cd“ je jednotka svítivosti; její velikost je určena číselnou hodnotou světelné účinnosti monochromatického záření o frekvenci 540 × 1012 Hz, která je rovna přesně 683, je-li vyjádřena v jednotkách s3 m−2 kg−1 cd sr neboli cd sr W−1, což je ekvivalent jednotky lm W−1.

Rozdíl mezi těmito definicemi je pouze ve formulacích. Přesto v novém systému nebude jednotka kandela absolutně stejně velká, protože závisí na definici kilogramu.

Vztahy mezi jednotkami[editovat | editovat zdroj]

Vztahy mezi základními jednotkami nového systému SI a přírodními konstantami

Jednotka mol, která ve stávajícím systému závisí na definici kilogramu, je v novém systému zcela nezávislá na ostatních jednotkách. Tím je zvýrazněna odlišnost veličin hmotnost a látkové množství. Všechny ostatní jednotky naopak odkazují na definici sekundy, která je i nadále určena osvědčeným cesiovým standardem, nezávisle na ostatních základních jednotkách. Definice metru nadále vychází z definice sekundy a de facto určuje vlnovou délku zmíněného záření cesiového atomu podle vztahu \lambda=c/f. Nová definice kilogramu je vedle Planckovy konstanty založena na definicích metru a sekundy.

Ostatní závislosti jsou graficky vyznačeny v obrázku. Každé ze sedmi základních jednotek odpovídá hodnota jedné fyzikální konstanty, které jsou zde vyznačeny šedou barvou. Srovnání s grafem v úvodu tohoto textu ukazuje, že ampér ani mol v novém systému nepoužívají definici kilogramu, ale nově na ní závisí kelvin.

Některé důsledky návrhu[editovat | editovat zdroj]

Normativní určení hodnot vybraných fundamentálních konstant má vliv na další důležité fyzikální konstanty. Některé konstanty a převodní faktory původně zatížené nejistotami měření budou v novém systému jednotek známy zcela přesně. Mezi ně patří:

U jiných konstant je situace opačná, původně byly stanoveny přesně a nově budou zatíženy nejistotou. Zejména jde o vlastnosti fyzikálního vakua:

Konstanta \alpha \approx 1/137 je bezrozměrná veličina, takže její hodnotu nelze ovlivnit volbou systému jednotek, je nutné ji změřit. Tabulky CODATA 2010 uvádějí, že je známa s relativní nejistotou 3,2×10−10.[21] Stejnou nejistotou budou v novém systému zatíženy i konstanty μ0, ε0, Z0.

Newtonova gravitační konstanta, ačkoli patří mezi fundamentální fyzikální konstanty, není užita v žádné z definic. Dosud totiž nikdo neobjevil způsob, jak ji změřit s dostatečnou přesností srovnatelnou s jinými konstantami. Relativní nejistota se při poslední adjustaci (CODATA 2010) dokonce zvýšila, protože měření se navzájem neshodují.

Dalton[editovat | editovat zdroj]

Dalton, jiným názvem atomová hmotnostní jednotka, (značka Da nebo u) je jednotka hmotnosti často užívaná v chemii i v atomové a jaderné fyzice. Velikost jednotky přibližně odpovídá hmotnosti nukleonů, 1\,\mathrm{Da} \approx 1{,}66 \times 10^{-27} \,\mathrm{kg}. Je to jedna ze tří jednotek závislých na experimentálně určované hodnotě, které Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIPM) povoluje užívat zároveň s SI (také elektronvolt a astronomickou jednotku). Dalton je definován jako 1/12 hmotnosti atomu uhlíku 12C v základním stavu. V současném systému SI to znamená, že platí přesný vztah mezi daltonem a Avogadrovou konstantou: 1\,\mathrm{Da} = 10^{-3}\,\mathrm{kg\,mol^{-1}} / N_{\mathrm A} \,. Nová definice molu fixuje Avogadrovu konstantu nezávisle na atomech uhlíku, čímž do používání této jednotky principiálně zasahuje a z návrhu není jasný její další osud. V úvahu přichází dvě možnosti. Buď zůstane současná definice daltonu, takže hmotnosti atomů se nadále budou vztahovat relativně vzhledem k uhlíku 12. V tom případě ale přestane platit uvedený jednoduchý vztah k Avogadrově konstantě. Anebo vztah zůstane v platnosti, ale v tom případě se relativní atomová hmotnost všech atomů včetně uhlíku 12 bude nepatrně měnit oproti starému systému. Metrologické studie se spíše kloní ke druhé možnosti.[22]

Průběh přípravy definic a jejich experimentální podpory[editovat | editovat zdroj]

V roce 1999 konstatovala 21. konference CGPM, že snaha o předefinování kilogramu je opodstatněná a národní laboratoře mají pokračovat v úsilí, které povede k jeho spojení s některou přírodní konstantou. V roce 2007 stanovila 23. konference CGPM podmínky, které musí být splněny před přijetím nových definic kilogramu, ampéru, kelvinu a molu. Na podzim roku 2011 konstatovala 24. konference CGPM, že podmínky sice ještě nejsou zcela splněny, ale došlo k významnému pokroku.[1] Aby všechny zúčastněné strany získaly podrobnější představu o chystaných změnách, byl zároveň vydán návrh nového znění brožury BIPM, která obsahuje definice jednotek a doporučuje způsoby zacházení s nimi.[2] Lze očekávat, že nové definice se od návrhu nebudou podstatně lišit, kromě doplnění několika číslic v hodnotách konstant a případných drobných formulačních změn, vycházejících z připomínek odborné obce k formulační korektnosti.[23][24]

Rezoluce CGPM jsou připravovány Mezinárodním výborem pro míry a váhy (CIMP), jemuž poskytují odborné poradenství jeho Poradní výbory.

Kilogram, mol

Poradní výbor pro hmotnost a související veličiny (CCM – Consultative Committee for Mass and Related Quantities) při projednávání redefinice kilogramu pomocí univerzálních konstant doporučil, aby byly před redefinicí splněny mimo jiné následující podmínky:

  • Alespoň 3 nezávislé experimenty musejí potvrdit hodnoty odpovídajících konstant (tj. konstant, pomocí kterých lze kilogram v daném experimentu vyjádřit) s relativní standardní nepřesností ne větší než 5×10−8, jeden z nich by měl být založen na projektu mezinárodní spolupráce Avogadro. (Jedná se o to, aby nebyly všechny založeny na wattových vahách, které mají jako odpovídající konstantu Planckovu konstantu; projekt Avogadro, jak naznačuje sám název, konstantu Avogadrovu.)
  • Alespoň jeden z těchto výsledků by měl mít relativní standardní nepřesnost ne větší než 2×10−8.
  • Pro každou z odpovídajících konstant by hodnoty vycházející z odlišných experimentů měly být konzistentní na hladině významnosti 95%.[25]

V doporučení G1 (2013) ze svého 14. zasedání CCM přeformuloval první podmínku tak, že musí zahrnovat jak experimenty založené na wattových váhách, tak na XRCD (X-ray Crystal Density, tedy určení početní hustoty částic v krystalové mřížce pomocí rentgenového záření). Byly doplněny podmínky co nejpřímějšího porovnání s mezinárodním prototypem kilogramu a validace procedury budoucí realizace kilogramu v souladu se zásadami BIPM MRA.[26]

První podmínku dosud splnily výsledky wattových vah NIST (2007), projektu Avogadro (2011)[27] a wattové váhy kanadského NRC. Ty dosáhly v r. 2014 nepřesnosti 2×10−8 a jako první tak splnily druhou podmínku.[28]

Porovnání posledních výsledků (2014) jednotlivých experimentů, kterým bylo věnováno samostatné číslo 2 svazku 51 časopisu Metrologia, ukazuje velmi dobrou vzájemnou konzistenci výsledků. Pokrok naznačuje, že redifinice by (z pohledu podmínek pro nový kilogram a mol) mohla proběhnout v r. 2018.[28]

Ampér

U redefinice ampéru je situace příznivější. Pro 3 ohmicky vzájemně závislé veličiny – elektrický proud, napětí a odpor, existují principiálně vhodné realizace etalonů kvantovaných hodnot závislých pouze na univerzálních konstantách – pro proud jednoelektronová pumpa (proud závisí pouze na elementárním náboji e a taktovací frekvenci), pro napětí Josephsonův přechod (napětí závisí pouze na taktovací frekvenci a Josephsonově konstantě, tedy jen na univerzálních konstantách h, e) a pro odpor zařízení pro kvantový Hallův jev (odpor je realizován jako násobek von Klitzingovy konstanty, závislé též jen na univerzálních konstantách h, e). Praktické realizace však mohou být zatížené sice malými, ale pro velmi přesnou metrologii nezanedbatelnými nepřesnostmi (ať už reálně zjištěnými, jako elektronický šum u zařízení pro kvantový Hallův jev, nebo způsobenými hypotetickými dalšími vlivy). Proto je snaha nejen o zvyšování přesnosti takových etalonů, ale i o hledání nezávislých způsobů realizace, umožňujících s obdobnou přesností vyloučit vliv skrytých systematických nepřesností.

V roce 2012 se podařilo vytvořit polovodičový obvod, který může sloužit jako standardizovaný etalon kvantovaných hodnot elektrického napětí, realizovaný na principu odlišném od Josephsonova jevu. Vzájemné provázání prvků pro kvantový etalon proudu a odporu (sériové zapojení jednoelektronové pumpy a zařízení pro kvantový Hallův jev) v jednom polovodičovém obvodu představuje fyzikálně nezávislou realizaci napětí a umožňuje vyloučit případné systematické neurčitosti josephsonovsky realizovaných napětí vyplývající z hypotetických (i když prokazatelně velmi malých) korekcí dalších vlivů daných fyzikou polovodičů.[29][30]

V r. 2013 se britským vědcům podařilo vytvořit jednoelektronovou pumpu na bázi grafenu, u které může být dosaženo taktovací frekvence řádu gigahertzů, požadované pro proudový etalon. Stala se tak (vedle nepřímého stanovení přes kvantované napětí a odpor) nejvýznamnějším současným kandidátem na přímou realizaci nově definovaného ampéru.[19][20]

Vědcům německé Physikalisch-Technische Bundesanstalt se v r. 2013 podařilo vyvinout kvantový proudový standard, který sériovým zapojením jednoelektronových pump omezuje nepřesnosti stochastického charakteru způsobené tunelovým jevem. Navíc nejen generuje taktovaný jednoelektronový proud, ale současně a nezávisle tento proud měří.[31][32]

Kelvin

Pro novou definici kelvinu doporučil Poradní výbor BIPM pro termometrii (CCT) na svém 25. zasedání v r. 2010, aby před uskutečněním redefinice byla hodnota Boltzmannovy konstanty stanovena s relativní neurčitostí řádu 10−6 z měření založených na fundamentálně rozdílných metodách primární termometrie, v ideálním případě pomocí akustické plynové termometrie a pomocí termometrie založené na permitivitě plynů, podpořených dalšími metodami, jako termometrií pomocí Johnsonova šumu, radiační termometrií a termometrií pomocí dopplerovského rozšíření, a na základě těchto hodnot by měla být přijata adjustovaná hodnota CODATA.[33] V r. 2013 se podařilo dosáhnout požadované přesnosti akustickou plynovou termometrií. Hodnota k = 1,380 651 56 (98) × 10−23 J·K−1, což představuje neurčitost 0,7 × 10−6.[34][35]

Reálný termín redefinice

Okamžik, kdy redefinice vstoupí v platnost, tedy závisí zejména na pokroku v přesnosti a konzistenci určení Planckovy a Boltzmannovy konstanty a je nereálné předpokládat, že by redefinice mohla být přijata CGPM již na příštím zasedání, jehož konání je naplánováno na listopad 2014 tradičně v Paříži. Elektronické novinky BIPM z června 2013 ve zprávě o 102. zasedání CIPM, jednání I, hovoří až o roce 2018.[36] O stejném roce uvažují i odborné metrologické studie.[28]

Poznámky[editovat | editovat zdroj]

  1. Definice vychází z měření času atomovými cesiovými hodinami. V případě, že se redefinice SI zpozdí např. kvůli pomalejšímu dosahování požadované přesnosti a reprodukovatelnosti měření hmotnosti pomocí wattových vah, může dojít i k zásadnější redefinici sekundy. Namísto cesiových hodin, využívajících mikrovlnné záření, se totiž jako vhodný budoucí kandidát pro etalon času jeví optické atomové hodiny založené na oktupólovém přechodu v iontu ytterbia, u kterého proběhne za sekundu téměř 70000krát více oscilací. Již v současnosti tak dosahují přesnosti řádově 10−15, při vylepšení magnetického stínění a dalších navržených úpravách dokonce lepší než 10−17,[4] tedy mají potenciál dosáhnout téměř stonásobně vyšší stability a přesnosti než nejpřesnější cesiové hodiny (2,0×10−16).[5] Jiným nadějným kandidátem jsou optické atomové hodiny s iontem stroncia, založené na podobném principu jako hodiny s iontem ytterbia.[6] I u nich již bylo reálně dosaženo vyšší přesnosti než u cesiového standardu[7][8] a nadále se daří redukovat příspěvky k jejich nepřesnosti.[9][10]
    Jinou slibnou metodou je využití přechodů v neutrálních atomech v optické mřížce, tedy zachycených v potenciálu stojaté elektromagnetické vlny ze dvou protichůdných laserových paprsků. Limitující fundamentální (neodstranitelná) kvantová nepřesnost tak může být zredukována zprůměrováním a zvýšena tak stabilita a přesnost.[11] Hodiny využívající přechodu mezi hladinami 1S0 a 3P0 atomů stroncia 87 v optické mřížce (téměř 50000krát více oscilací než u cesiových hodin) dosáhly v roce 2013 stability 1,6×10−18,[12][13][11] tedy stonásobně vyšší stability než nejpřesnější hodiny s cesiovou iontovou fontánou.[14] Jejich celková nepřesnost byla v r. 2014 stanovena na pouhých 6,4×10−18.[15]
    Od r. 2011 je dokonce znám princip tzv. jaderných hodin, založených na magnetickém dipólovém přechodu mezi energetickými stavy jádra iontu thoria, který by umožňoval dosažení nepřesnosti pouhé 1 s za 200 miliard let (1,6×10−19).[16][17][18]
    Případná taková změna by znamenala úpravu definice sekundy ve specifikaci přechodu a číselné hodnotě, případně i ve vymezení podmínek. Neměla by žádný vliv na definice ostatních základních jednotek, mohla by však implicitně zvýšit přesnost jejich určování (zejména u metru).
  2. Jednoelektronové pumpy s laditelným taktováním se realizují polovodičovými přechody nebo tzv. hybridními elektronickými turnikety využívajícími přechodu mezi normální a supravodivou fází. Nejpřesnějším typem jsou pumpy s metalickými ostrůvky, využívající tunelový jev přes přechodovou bariéru; jsou však natolik pomalé, že pro proudový etalon jsou nevyhovující. V r. 2013 se při spolupráci britských výzkumných týmů NPL a Cavendishovy laboratoře podařilo vytvořit jednoelektronovou pumpu na bázi grafenu, který má chování podobné kovu, a přitom umožňuje rychlý průchod elektronů pumpou. Přitom může být dosaženo frekvence řádu gigahertzů, požadované pro proudový etalon. Stala se tak nejvýznamnějším současným kandidátem na přímou realizaci nově definovaného ampéru.[19][20]
  3. \mathrm{x}\, je řešení rovnice \mathrm{x}\mathrm{e}^{\mathrm{x}} = 5(\mathrm{e}^{\mathrm{x}}-1)\, a je rovno \mathrm{x}\, = 4,965 114 231...

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. a b On the possible future revision of the International System of Units, the SI; Draft Resolution A; dostupné online
  2. a b Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units. dostupné online
  3. CGPM. General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram. [online]. 2011-10-23, [cit. 2012-05-29]. Tisková zpráva. Dostupné online. (anglicky) 
  4. The tick-tock of the optical clock. PhysOrg, 29. březen 2012. Dostupné online (anglicky)
  5. Accuracy of the NPL caesium fountain clock further improved. PhysOrg, 19. únor 2014. Dostupné online (anglicky)
  6. CAMPBELL, Gretchen K., Andrew D. Ludlow, Sebastian Blatt, Jan W. Thomsen, Michael J. Martin, Marcio H. G. de Miranda, Tanya Zelevinsky, Martin M. Boyd1, Jun Ye, Scott A. Diddams, Thomas P. Heavner, Thomas E. Parker, Steven R. Jefferts The absolute frequency of the 87Sr optical clock transition. Metrologia [online]. , 23. září 2008, roč. 45, čís. 5, s. 539–548. Dostupné online. DOI:10.1088/0026-1394/45/5/008.  (anglicky) 
  7. MADEJ, Alan A., Pierre Dubé, Zichao Zhou, John E. Bernard, Marina Gertsvolf 88Sr+ 445-THz Single-Ion Reference at the 10-17 Level via Control and Cancellation of Systematic Uncertainties and Its Measurement against the SI Second. Phys. Rev. Lett. [online]. 2012, roč. 109, čís. 203002. Dostupné online. DOI:10.1103/PhysRevLett.109.203002.  (anglicky) 
  8. RIEHLE, Fritz. Viewpoint: Optical Atomic Clocks Could Redefine Unit of Time (popularizační článek k předchozí referenci). Physics [online]. , 12. listopad 2012, roč. 5, čís. 126. Dostupné online. DOI:10.1103/Physics.5.126.  (anglicky) 
  9. MIDDELMANN, Thomas; FALKE, Stephan; LISDAT, Christian, STERR, Uwe. High Accuracy Correction of Blackbody Radiation Shift in an Optical Lattice Clock. Physical Review Letters [online]. , 27. prosinec 2012, svazek 109, čís. 26, 263004. Dostupné online. PDF: [1].ISSN 1079-7114. DOI:10.1103/PhysRevLett.109.263004.  (anglicky) 
  10. Optical strontium clock to become much more accurate (popularizační článek k předchozí referenci). Phys.Org, 9. leden 2013. Dostupné online (anglicky)
  11. a b WOGAN, Tim. New atomic clock sets the record for stability. PhysicsWorld.com, 27. srpen 2013. Dostupné online (anglicky)
  12. HINKLEY, N., SHERMAN, J. A.; PHILLIPS, N. B.; SCHIOPPO, M.; LEMKE, N. D.; BELOY, K.; PIZZOCARO, M.; OATES, C. W.; LUDLOW, A. D.; An Atomic Clock with 10−18 Instability. Science Express [online]. , 22. srpen 2013. Online před tiskem. Dostupné online. ISSN 1095-9203. DOI:10.1126/science.1240420.  (anglicky) 
  13. NIST ytterbium atomic clocks set record for stability. PhysOrg, 22. srpen 2013. Dostupné online (anglicky)
  14. The atomic clock with the world's best long-term accuracy is revealed after evaluation, PhysOrg, 26. srpen 2011 (anglicky)
  15. BLOOM, B. J.; NICHOLSON, T. L.; WILLIAMS, J. R., CAMPBELL, S. L.; BISHOF, M.; ZHANG, X.; ZHANG, W.; BROMLEY, S. L.; YE, J. An Optical Lattice Clock with Accuracy and Stability at the 10-18 Level. Nature [online]. , 22. leden 2014. Online před tiskem. Dostupné online. PDF: [2].ISSN 1476-4687. DOI:10.1038/nature12941.  (anglicky) 
  16. Campbell C. J., Radnaev A. G., Kuzmich A., Dzuba V. A., Flambaum V. V., Derevianko A.: A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. ArXiv:1110.2490v1, 11. října 2011 (anglicky)
  17. Bob Yirka: Research team shows nuclear clock could be 60 times more accurate than atomic clock. PhysOrg, 9. listopadu 2011 (anglicky) – popularizační článek k předchozí referenci
  18. Bob Beale: Proposed nuclear clock may keep time with the Universe. PhysOrg, 8. března 2012 (anglicky)
  19. a b CONNOLLY, M. R., CHIU, K. L.; GIBLIN, S. P.; KATAOKA, M.; FLETCHER, J. D.; CHUA, C.; GRIFFITHS, J. P.; JONES, G. A. C.; FAĽKO, V. I.; SMITH, C. G.; JANSSEN T. J. B. M. Gigahertz quantized charge pumping in graphene quantum dots. Nature Nanotechnology [online]. , 12. květen 2013, svazek 8, čís. 6, s. 417–420. Dostupné online. PDF: [3].ISSN 1748-3395. DOI:10.1038/nnano.2013.73.  (anglicky) 
  20. a b DUMÉ, Belle: Redefining the ampere with the help of graphene? Physics.World.com, 28. květen 2013. Dostupné online (anglicky)
  21. CODATA Value: fine-structure constant; dostupné online
  22. LEONARD, B. P.. Why the dalton should be redefined exactly in terms of the kilogram. Metrologia [online]. , 29. květen 2012, svazek 49, čís. 4, s. 487–491. Dostupné online. PDF: [4].ISSN 1681-7575. DOI:10.1088/0026-1394/49/4/487.  (anglicky) 
  23. CHYLA, W. T.. On the structure of the New SI definitions of base units. Metrologia [online]. , 5. červen 2012, svazek 49, čís. 4, s. L17-L19. Dostupné online. DOI:10.1088/0026-1394/49/4/L17.  (anglicky) 
  24. CHYLA, W. T.. On the proposed redefinition of the mole. Metrologia [online]. , 29. březen 2012, svazek 49, čís. 3, s. L11-L13. Dostupné online. DOI:10.1088/0026-1394/49/3/L11.  (anglicky) 
  25. Report of the CCM to the CIPM. CCM, 15. květen 2007. Dostupné online (anglicky)
  26. Report of the 14th CCM meeting to the CIPM. CCM, 21.-22. únor 2013. Dostupné online (anglicky)
  27. STOCK, M.. Watt balance experiments for the determination of the Planck constant and the redefinition of the kilogram. Metrologia [online]. , 4. prosinec 2012, svazek 50, čís. 1, s. R1-R16. Dostupné online. DOI:10.1088/0026-1394/50/1/R1.  (anglicky) 
  28. a b c ROBINSON, Ian A.. Watt and joule balances. Metrologia [online]. , duben 2014, svazek 51, čís. 2, s. S1-S3. Dostupné online. PDF: [5]. DOI:10.1088/0026-1394/51/2/S1.  (anglicky) 
  29. HOHLS, F.; WELKER, A. C.; LEICHT, Ch.; FRICKE, L.; KAESTNER, B.; MIROVSKY, P.; MÜLLER, A.; PIERZ, K.; SIEGNER, U.; SCHUMACHER, H. W.. Semiconductor Quantized Voltage Source. Physical Review Letters [online]. , 31. červenec 2012, svazek 109, čís. 5, s. e056802. Dostupné online. PDF: [6].ISSN 1079-7114. DOI:10.1103/PhysRevLett.109.056802.  (anglicky) 
  30. Integrated quantum chip may help close quantum metrology triangle (popularizační článek k předchozí referenci), PhysicsWorld, 21. srpen 2012 (anglicky)
  31. Helmholtz Prize for the 'new' ampere. PhysOrg, 31. březen 2014. Dostupné online (anglicky)
  32. FRICKE, Lukas, a kol. A self-referenced single-electron quantized-current source [online]. v1. vyd. Braunschweig, Německo: Physikalisch-Technische Bundesanstalt, 2013-12-19. S. 1-20. Dostupné online. PDF: [7]. arXiv:1312.5669v1. (anglicky) 
  33. Consultative Committee for Thermometry (CCT). Report of the 25th meeting (6–7 May 2010) to the International Committee for Weights and Measures. Recommendation T 2 (2010). S. 53. Dostupné online (anglicky)
  34. DE PODESTA, Michael, UNDERWOOD, Robin; SUTTON, Gavin; MORANTZ, Paul; HARRIS, Peter; MARK, Darren F.; STUART, Finlay M.; VARGHA, Gergely; MACHIN, Graham. A low-uncertainty measurement of the Boltzmann constant. Metrologia [online]. , 11. červenec 2013, svazek 50, čís. 4, s. 354-376. Dostupné online. ISSN 1681-7575. DOI:10.1088/0026-1394/50/4/354.  (anglicky) 
  35. Most accurate measurement of Boltzmann constant yet. PhysOrg, 10. červenec 2013. Dostupné online (anglicky)
  36. Session I of the 102nd meeting of the CIPM. BIPM e-News, červen 2013. S. 2. Dostupné online (anglicky)