Американские ученые разработали новый способ определять давление и новую дефиницию паскаля — единицы СИ, характеризующей давление. Уже через год новая технология может заменить и ртутный способ измерять давление, существующий с 1643 года, и единицу измерения — миллиметры ртутного столба.
Фото: NIST
Давление — это сила, действующая на единицу площади. Эталон давления, основанный на измерении высоты ртутного столба, находится, в частности, в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд. Это огромный прибор, по которому калибруются все остальные датчики давления.
Но теперь ученые NIST разработали принципиально иной высокоточный метод измерения давления. Датчик получил название FLOC от английского fixed-length optical cavity — оптический резонатор фиксированной длины. Резонатор — это совокупность нескольких отражающих элементов, формирующих стоячую световую волну. С помощью FLOC можно сравнить скорость лазера, проходящего через заполненную газом емкость, со скоростью лазера в вакууме. Скорость света в среде меняется в зависимости от плотности газа. Известно, какая скорость какой плотности соответствует. Установив эту плотность (а фактически число атомов в емкости с газом) при постоянной температуре, можно через постоянную Больцмана (связывает температуру с кинетической энергией) получить, так сказать, «плотность энергии»: она эквивалентна давлению.
Если метрологи признают лазерный метод NIST, им не нужна станет ртуть для эталонного прибора измерения давления. Другая важная особенность новой технологии заключается в том, что давление в паскалях может быть измерено напрямую, через фундаментальную константу, а не через перемножение других величин.
Как и в случае с новым эталоном килограмма, который каждая группа исследователей может создать себе сама (правда, это дорого стоит), эталон давления также может быть при необходимости создан учеными самостоятельно, без сверки с американским или китайским стандартом. Это очень чувствительный метод, считают сами исследователи из NIST, и он разработан в современном духе, когда для эталона используются не физические тела, а фундаментальные постоянные природы.
Метрологи давно хотят отказаться от технологии измерения давления, основанной на открытии Эванджелисты Торричелли, сделанном в 1643 году, то есть почти 400 лет назад: ртуть, налитая в тарелку, и колба, поставленная отверстием вниз, и когда атмосферное давление повышается, ртуть поднимается в колбе, когда понижается — ртуть опускается. Физический смысл измерения с тех пор не менялся. Для эталонов измерительного прибора приходится раз в несколько десятилетий выбирать идеальную по плотности ртуть, что очень затратное дело; кроме того, как считают метрологи, ртутный метод давно достиг предела точности, а новые задачи науки требуют более чутких инструментов.
Правда, пока что FLOC не достиг даже той точности, которая есть у ртутных эталонов: погрешность измерения составляет шесть частей на миллион при атмосферном давлении, в то время как у ртутного манометра — всего три части на миллион. Есть и другие проблемы — и они, как и в случае с ртутью, связаны с физическими телами, участвующими в измерениях. Прежде всего это чистота газа — даже самые ничтожные примеси влияют на результаты работы лазера; кроме того, это оптический резонатор, который пусть в минимальной степени, но все же деформируется в процессе измерения. Команда NIST, конечно, работает над устранением этих проблем и уверяет, что уже через год датчик, основанный на новом принципе измерения давления можно будет использовать в качестве эталона.
Более того, уже сейчас, уверяют разработчики FLOC, их метод при более низких, чем атмосферное, давлениях имеет погрешность меньшую, чем торричеллиев метод.
До международного признания, впрочем, еще далеко, ученым из NIST предстоит убедить метрологов всего мира — сравнивая показания ртутного манометра с данными FLOC,— что новый прибор достоин считаться эталонным. Затем его точность предстоит удостоверить в Международной палате мер и весов.
Вероятно, чтобы убедить метрологическую общественность, какая-то другая исследовательская группа должна воспроизвести метод NIST и добиться идентичных результатов. Работы такие ведутся, в том числе в лучших национальных метрологических лабораториях, но готовой установки больше ни у кого нет.
Теоретически, поскольку все базовые единицы СИ теперь определены в терминах констант, любой достаточно строгий метод, который связывает количество с этими константами, станет приемлемым способом получения единицы, то есть FLOC автоматически квалифицируется как способ определения давления. Но на практике никто не знает, сколько доказательств понадобится международному сообществу, прежде чем оно примет FLOC.
Тем временем команда NIST разрабатывает прототип портативной версии FLOC, которая позволит совершать более точные измерения в практической деятельности человека, к примеру в самолетных высотомерах, измеряющих высоту над уровнем моря с помощью давления. Команда также адаптирует свой метод под работу при высоких давлениях, где сейчас царствуют поршневые манометры.