Очень общая метрология

Основная история метрологии — это история работы по увеличению точности измерений, расширению списка измеряемых величин и условий измерения. Сначала обсудим точность. Есть два варианта — если объектом заботы метрологов являются только приборы и если объектом заботы являются эталоны и приборы. Например, по первому варианту иногда работает человек — измеряя степень влюбленности учащением пульса, мы не предъявляем человеку сначала эталон. Не занимается эталонами и, так сказать, полевая метрология — метрология в цеху и лаборатории физика. Также не заморачиваясь проблемой эталонов работает метрология, если она пользуется естественными эталонами и полагает их неизменными по определению. В этом случае метролог обеспечивает точность приборов посредством поверок, то есть сличения показаний прибора с показаниями более точного прибора. Чем стабильнее прибор, тем реже нужны поверки, поэтому иногда точность и стабильность даже упоминают в одном ряду и говорят: «точность и стабильность приборов».

По второму варианту, заботясь и об эталонах, и о приборах работает метрология, когда она пользуется искусственными эталонами — метровой палкой и килограммовой гирей. Или когда мы сравниваем объекты, интуитивно полагая, что какой-то из них — идеал, «эталон». Например, разговаривая об уровне жизни, мы принимаем во внимание и то, как мы жили вчера, и как наши соседи живут сейчас. Принимая что-то из этого за то ли идеал, то ли эталон, то ли за мишень для полива помоями. Также, когда метрология пользуется естественными эталонами, но понимает, что они могут изменяться и под действием внешних причин, и с течением времени. В этом случае проблемами метрологии будут не только увеличение стабильности и точности средств измерения, но и обеспечение идентичности того, что должно быть идентичным (эталонов) и удобства передачи единиц измерения (поверки).

Стабильность эталона — вещь, интуитивно предполагаемая физиком, если он не занимается стабильностью мировых констант и не работает с метрологами, то есть «просто» измеряет что-то свое. Метролог всегда понимает, что эталон может быть не стабилен. Сами же причины нестабильности более понятны физику. Например, нестабильность эталона килограмма может быть следствием сорбции, окисления, диффузии, испарения, падения пылинок. Поэтому сейчас рассматривается возможность перехода на «естественный» эталон — массу атома (через вес кремниевого шара определенного размера). Естественный эталон такого типа (переданный через макроскопическое тело) тоже может «плыть», если плывут фундаментальные константы, но по крайней мере он всегда может быть повторен. Нестабильность эталонов замечается по изменению различий между ними. Возможные причины нестабильности эталонов — интересный физический вопрос. Метрология начала с естественных эталонов (размер частей тела человека), потом частично перешла к искусственным (метр, килограмм), сейчас возвращается к естественным. Причины эволюции — погоня за стабильностью и легкостью повторения и передачи. Новые естественные эталоны (длины, времени, массы), их можно назвать «естественные эталоны второго поколения», базируются на свойствах атомов, на «естественной дискретности», то есть квантуемости мира. Некоторые из этих атомных эталонов намного меньше тех размеров, с которыми обычно приходится иметь дело, поэтому необходима масштабирующая цепь устройств. Такие цепи существуют для времени и длины, а для массы — пока нет. Поэтому ведется разработка комбинированного атомного эталона — через массу атома и эталон длины — в виде шара точного диаметра из чистого (изотопно-чистого!) кремния. Для некоторых возможных (и, возможно, перспективных) атомных эталонов масштабирующие цепи не нужны, например, для эталона напряжения на квантовом эффекте Джозефсона и сопротивления — на квантовом эффекте Холла.

Роль физической «простоты» эталона состоит не в отсутствии влияний — и поэтому высокой стабильности, а в известности, с точки зрения физики, возможных влияний. Отдельно можно рассмотреть проблему постоянства мировых констант, которая вообще относится к сфере физики, но успешно граничит с метрологией.

Третий двигатель метрологии — это измерения новых величин. Тут можно спросить, а откуда вообще берутся «новые величины»? На первый взгляд в физике величины задаются формулой или методом измерений, а в полугуманитарных областях вроде социологии — мутными рассуждениями. На самом же деле ситуация не столь черно-белая.