Baner vejen for omdefinering af temperaturenheden

På nuværende tidspunkt kelvin er bogstaveligt talt ikke baseret på mere end vand - på vandets tredobbelte punkt, for at være mere præcis. Grundenheden for temperatur er derfor afhængig af et materiale, hvis egenskaber kan variere. Men dette er ved at ændre sig:I efteråret 2018, kelvinen, såvel som alle de andre enheder i International System of Units (SI), vil blive omdefineret til at hvile på et solidt og ufravigeligt fundament bestående af fundamentale konstanter. Kelvin vil være baseret på Boltzmann konstanten, som videnskabsmænd fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) nu har bestemt ved hjælp af et dielektrisk-konstant gastermometer med en sådan nøjagtighed, at alle hindringer for omdefinering af temperaturenheden, kelvinen, er blevet fjernet. Resultaterne er offentliggjort i den aktuelle udgave af fagtidsskriftet Metrologia .

I øjeblikket, definitionen af ​​SI-basisenheden kelvin er stadig baseret på en materiel egenskab ved vand:det tredobbelte punkt. Ved en veldefineret temperatur, vand kan samtidig være et fast stof, en væske og en gas. Imidlertid, fordi ikke to vande er ens, vandets tredobbelte punkt afhænger af den isotopiske sammensætning af det anvendte vand. Selvom fysikere fra hele verden er blevet enige om et "standardvand", denne situation er langt fra ideel. Kelvinen har derfor det samme problem som kilogrammet eller muldvarpen:de er alle baseret på materialers egenskaber - enten på såkaldte "prototyper" (såsom den internationale prototype af kilogrammet, som er en cylinder lavet af en platin/iridium-legering) eller på vand (som i tilfældet med kelvinen). Alle disse materialer er variable på mange måder. Om ikke mere end halvandet år (i efteråret 2018, sandsynligvis), hele det internationale system af enheder (SI) vil blive omdefineret af en stor international konference. Fra da af, alle enheder vil være baseret på et sæt fundamentale konstanter - ufravigelige egenskaber i det fysiske univers. Disse konstanter vil så være "målet for alle ting" i metrologiske spørgsmål.

Den passende grundkonstant til temperaturmålinger er Boltzmann-konstanten k. Det angiver, hvordan en gass termiske energi (dvs. gaspartiklernes bevægelse) afhænger af temperaturen. I en lukket beholder, den kinetiske energi kan måles ved at bestemme gassens tryk. Dette kan gøres (med den nødvendige nøjagtighed) ved hjælp af et akustisk gastermometer. De tilsvarende målinger udført ved de engelske metrologiinstitutter, Italien, Frankrig, Kina og USA har nået en måleusikkerhed på mindre end 1 ppm (en milliontedel), derved opfylder den første betingelse fastsat af Den Rådgivende Komité for Termometri (CCT) for omdefinering af kelvin. En anden betingelse, imidlertid, bestemmer, at en anden, uafhængig metode når tilsvarende små måleusikkerheder. Til dette formål, PTB lancerede sit dielektrisk-konstante gastermometerprojekt i 2007, som nu har nået 1,9 ppm og dermed opfylder den nødvendige nøjagtighed.

Dette specielle termometer udnytter det faktum, at helium, som en sjælden gas og et dielektrikum, ændrer kapacitansen af ​​en kondensator. Det er derfor muligt at måle tætheden af ​​helium ved et givet tryk ved hjælp af en elektrisk måling - og via densitet, også at måle temperaturen. I øvrigt, elektriske kapacitansmålinger kan udføres med stor nøjagtighed. I dette tilfælde, måleusikkerheden er kun få dele pr. milliard. Imidlertid, at nå en sådan nøjagtighed, alt skulle være perfekt tunet:Forskerne skulle bestemme kondensatorernes materialeegenskaber ved høje tryk (op til 7 MPa) – grænsende til det umulige – og sikre, at renheden af ​​den anvendte gas var bedre end 99,99999 %. Desuden, PTB's bedste standard for trykmålinger, som er baseret på trykbalancer, skulle forbedres. Disse udviklinger, som er unikke på verdensplan, kunne kun lykkes takket være forskellige samarbejdsprojekter inden for PTB (især med de to arbejdsgrupper "Pressure" og "Geometrical Standards") og takket være et stort internationalt samarbejde.

Nu hvor Boltzmann-konstanten er blevet bestemt med tilstrækkelig præcision ved hjælp af mindst to uafhængige metoder, CODATA vil beregne den endelige værdi af k i september 2017. "CODATA Task Group on Fundamental Constants" er en international gruppe af eksperter, hvis opgave er at vurdere værdierne af fundamentale konstanter målt i metrologiinstitutter i hele verden og at bringe disse værdier ind. linje med hinanden. Dette vil bane vejen for omdefinering af kelvin baseret på en fundamental konstant. Og i efteråret 2018, vi kan forvente, at mottoet bliver:"Ryd scenen for et helt nyt SI!"