Хотя влияние такого достижения не сразу очевидно, это измерение может революционизировать способ определения температуры, заменив стандартный метод, который использовался более 50 лет.Новое значение 1,380 651 56 (98)?
10-23 Дж K-1, где (98) показывает погрешность в последних двух цифрах, что составляет погрешность 0,7 частей на миллион — почти половину предыдущей самой низкой погрешности.Результат был опубликован сегодня, 11 июля, в журнале «Metrologia» издательством IOP Publishing от имени Международного бюро мер и весов (BIPM).В настоящее время ученые определяют кельвин и градус Цельсия, используя температуру тройной точки воды — точки, в которой жидкая вода, твердый лед и водяной пар могут существовать в равновесии.Эта «стандартная температура» была определена как 273,16 К. Измерения температуры, которые мы делаем в повседневной жизни, — это оценка того, насколько горячее или холоднее объект по сравнению с этим значением.
Поскольку измерения температуры должны производиться с повышенной точностью в широком диапазоне дисциплин, фиксация единой температуры в качестве стандарта становится проблематичной, особенно когда вы измеряете чрезвычайно высокие или низкие температуры.Ведущий автор исследования доктор Михаэль де Подеста сказал: Чем дальше измеряется температура воды тройной точки, тем сложнее точно определить соотношение между тем, насколько температура выше или ниже стандартной. температура. Это добавляет неопределенности к измерениям температуры вдобавок к обычным практическим трудностям ".Решение состоит в том, чтобы переопределить кельвин, используя фиксированную константу природы, точно так же, как измеритель переместился от физического куска металла к длине пути, пройденного светом в вакууме за определенное количество наносекунд.
Предлагаемый метод заключается в использовании постоянной Больцмана, которая является мерой связи между кинетической энергией молекул и температурой.«Удивительно, что мы разработали способ измерения температуры задолго до того, как узнали, что это за температура на самом деле. Теперь мы понимаем, что температура объекта связана с энергией движения составляющих его атомов и молекул.
Когда вы касаетесь объекта и "жарко", вы буквально ощущаете "жужжание" атомных колебаний. Новое определение напрямую связывает единицу температуры с этой базовой физической реальностью ", — продолжил де Подеста.
В этом исследовании исследователи в сотрудничестве с Крэнфилдским университетом и Центром экологических исследований шотландского университета (SUERC) использовали акустическую термометрию для проведения измерений, построив акустический резонатор и выполнив удивительно точные измерения скорости звука в газе аргоне.Исследователи сначала охладили резонатор до температуры тройной точки воды, чтобы они точно знали температуру в текущем определении, и заполнили его газообразным аргоном, изотопная чистота которого была оценена командой SUERC.Затем они использовали измерение скорости звука, чтобы вычислить среднюю скорость молекул аргона и, следовательно, среднее количество кинетической энергии, которая у них была — исходя из этого, они смогли вычислить постоянную Больцмана с чрезвычайно высокой точностью.
Чтобы достичь такой высокой точности, исследователям также необходимо было с высокой точностью измерить радиус резонатора.Команда из Университета Крэнфилда использовала инструмент для резки монокристалла алмаза, чтобы изготовить четыре полусферы из меди. Лучшая пара, собранная вместе, образовывала трехосно-эллипсоидальный резонатор правильной формы с точностью до одной тысячной миллиметра.
Затем был рассчитан радиус с использованием конкретных частот, на которых длина волны микроволн точно соответствует резонатору, и был измерен с общей погрешностью 11,7 нм, что составляет толщину около 600 атомов.«Этот эксперимент был воодушевляющим, и по прошествии шести лет мы устали.
Каждый аспект эксперимента требовал доведения науки и техники до предела. В такого рода работе нам нужно постоянно беспокоиться обо всех вещах, которые могут пойти не так, и как они могут повлиять на результаты.
Мы надеемся, что немного меньше будем волноваться и продолжим использовать некоторые из новых технологий, которые мы изобрели в ходе проекта », — продолжил де Подеста.