Redefinicja i przyszłość


12-03-2019 20:13:08

- Choć Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI (fr. Système international d'unités) został zatwierdzony w 1960 r., a w Polsce obowiązuje od 1966 r., to nadal moc silnika najczęściej podajemy w KM a nie w W, a ja – zamiast Mg – piszę t. Stosujemy kalorię - jedną z nielegalnych i przestarzałych jednostek, a w technice - pozaukładową jednostkę miary ciśnienia, czyli atmosferę techniczną (at). Śmieszy mnie, gdy na rachunku za gaz jego zużycie mam podane w kWh! A teraz mamy do czynienia z „redefinicją SI”. Po co to zamieszanie?

- Układ SI jest redefiniowany, by zapewnić stabilność i powiązanie podstawowych jednostek miar z prawami natury. Z tymi, które są w jak największym stopniu bezwzględne i nie podlegają zmienności wynikającej z pewnych zjawisk ograniczających stabilność.

Najbardziej spektakularnym przykładem jest objęty redefinicją kilogram – ostatni wzorzec miar oparty na fizycznym artefakcie. Bo międzynarodowy wzorzec kilograma, definiowany przez obiekt fizyczny - walec platynowo-irydowy, podlegał pewnym zmianom. Mówiąc kolokwialnie: tył i chudł! Było to oczywiście związane z różnymi procesami chemicznymi zachodzącymi na jego powierzchni, ale również ze zjawiskami grawitacyjnymi, na które zupełnie nie mamy wpływu. Nawet tworząc najdoskonalszy materiał.

Stąd pomysł, by 4 z 7 podstawowych jednostek miar układu SI, czyli kilogram, amper, mol i kelwin, oprzeć na stałych fizycznych, na zjawiskach wynikających z praw fizyki. I tak zrobiono. W przypadku kilograma w dużej mierze wykorzystano podstawowe równanie Einsteina: E = mc2. Nowa definicja masy i kilograma oparta jest na równoważeniu go pewnymi zjawiskami związanymi z pomiarami energii.

Wspomniane przez pana jednostki pomocnicze czasami są kolokwialnie nazywane „nielegalnymi”, choć poprawnie byłoby je określać jako „nie będące legalnymi jednostkami miar”. Mamy więc grupę tzw. jednostek legalnych, które w Polsce zostały wprowadzone rozporządzeniem ministra właściwego ds. gospodarki, należących do układu SI albo będące ich pochodnymi czy wielokrotnościami. Nie przeszkadza to jednak w używaniu jednostek pomocniczych, jak np. kaloria, cal, koń mechaniczny, które nie mają statusu legalnych. Oznacza to jednak, że generalnie, np. przy pomiarach w obrocie gospodarczym, nie powinny być stosowane jako podstawowe, a jedynie dodatkowo, obok jednostek legalnych.

- Jakie było stanowisko GUM na XXVI Generalnej Konferencji Miar (13-16.11.2018 r.), podczas której ostatecznie sformułowano i zatwierdzono nowe definicje?

- GUM reprezentował Polskę, a jej stanowisko było takie same, jak wszystkich innych państw członkowskich Konwencji Metrycznej, czyli poparcie uchwały redefiniującej układ SI, która została przyjęta jednogłośnie. Oczywiście było to efektem długotrwałych prac przygotowawczych, w których uczestniczyły wszystkie narodowe instytuty metrologiczne. Podczas spotkań nie chodziło jednak o zgłaszanie uwag lecz wypracowanie współpracy w tworzeniu nowych jednostek, zwłaszcza kilograma. To był bardzo długi proces związany z wykorzystaniem równania Einsteina i budową służącej realizacji tego wzorca tzw. wagi Watta. Inaczej zwanej wagą Kibble'a, ale w Polsce to brzmi nieładnie.

Nie powiem, że Polska i GUM są jakimiś liderami, ale mamy ambicje, by zbudować wagę Watta, których na świecie jest tylko kilka.

Dodam, że redefinicja jednostki masy, czyli kilograma, jest wręcz historyczną zmianą, największą pojedynczą w międzynarodowych pomiarach, od czasu podpisania w 1875 r. Konwencji Metrycznej.

- Tak więc przechowywany w Sèvres wzorzec kilograma trafi do muzeum, ale - wbrew pozorom - wciąż używane są wagi szalkowe z klasycznymi odważnikami. Czy one również trafią na złomowisko?

- Redefinicja, a nowe definicje jednostek miar zaczną obowiązywać od maja 2019 r., niewiele zmieni w naszym codziennym życiu. Odważniki nadal będą wzorcami odniesienia, choć na najwyższym poziomie kilogram będziemy już definiowali nie w odniesieniu do fizycznego artefaktu, lecz za pomocą innych zjawisk i próżniowych komparatorów masy, który ma GUM.

Stare, fizyczne wzorce będziemy kalibrować w odniesieniu do tego najwyższego rzędu i będziemy je używać w codziennym życiu. Osoby kupujące w sklepie kilogram ziemniaków czy jabłek, które będą ważone na wadze szalkowej bądź elektronicznej, tej zmiany nie odczują.

- A co z wytwórcami popularnych przymiarów, czyli taśm metrówek?

- Obecnie wzorzec długości się nie został zmieniony. Dokonano tego kilkadziesiąt lat temu w podobny sposób, czyli przez nawiązanie tej jednej z pierwszych jednostek do stałych fizycznych – prędkości światła. I też nie spowodowało to jakiegoś zamieszania.

Zresztą metr w układzie SI bardziej jest ze względu na tradycję, bo zdefiniowano go we Francji w 1791 r., a nie jego fundamentalne znaczenie. Nie jest podstawową jednostką długości lecz interwałem czasu, bo został zdefiniowany poprzez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej prędkości światła w próżni c, wynoszącej 299 792 458 m/s, przy czym sekunda zdefiniowana jest za pomocą częstotliwości cezowej ∆νCs. I dlatego metra w zasadzie nie powinno być w układzie SI.

- A sekunda?

- Obecnie jest definiowana jako czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133. Przeredagowana definicja jednostki czasu, która – jak to określamy na naszej stronie – będzie „bohaterką marca”, została zdefiniowana poprzez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej częstotliwości cezowej ∆νCs, tj. częstotliwości nadsubtelnego przejścia w atomach cezu 133 w niezaburzonym stanie podstawowym, wynoszącej 9 192 631 770 Hz.

- Wspomniał pan o komparatorze masy. Jakimi innymi urządzeniami może GUM się pochwalić?

- Są ich dziesiątki, a nawet setki, w tym wykorzysujące laser, zegary atomowe, odbiorniki czasu. GUM ma 10 laboratoriów zajmujących się różnymi dziedzinami, m.in. akustyką, chemią, długością i elektrycznością. W każdym z nich jest kilka pracowni, zajmujących się konkretnymi dziedzinami metrologii i fizyki, np. w laboratorium akustyki jest pracownia drgań, w laboratorium termometrii – pracownie temperatury i wilgotności. Każda z nich ma sprzęt i doskonały personel, który rozwija wzorce w wielu dziedzinach, jak np. promieniowanie jonizujące, czas, częstotliwość, elektryczność i masa, w której wyodrębniamy siłę, twardość, lepkość, gęstość.

- 1 kwietnia odbędzie się główna uroczystość obchodów 100-lecia GUM-u. Jakie wydarzenia z jego historii uznałby pan za najważniejsze, swoiste kamienie milowe?

- Nie sądzę, że wymienianie kamieni milowych byłoby dobrym podsumowaniem jego działalności. Podkreślę natomiast, że był jedną z pierwszych instytucji odrodzonego Państwa Polskiego. Była dla niego emblematyczna, bo w bardzo podzielonym i zróżnicowanym państwie zapewniła spójność i wprowadziła porządek.

8 lutego 1919 r. Naczelnik Państwa – Józef Piłsudzki, Prezydent Ministrów – Ignacy Jan Paderewski i Kazimierz Hącia – Minister Przemysłu i Handlu, sygnowali „Dekret o miarach”, w którym wymieniono legalne wtedy podstawowe jednostki: metr, metr kwadratowy i ar, metr sześcienny (kubiczny) i litr, kąt prosty, kilogram i stopień temperatury. A sprawami dotyczącymi miar i narzędzie mierniczych zajmował się Główny Urząd Miar w Warszawie, podlegający Ministrowi Przemysłu i Handlu, który wydał jego statut.

GUM był nową instytucją, której twórca, dr Zdzisław Erazm Rauszer, pracował w Głównej Izbie Miar i Wag w Petersburgu, ale w jakimś stopniu odwołującą się do podobnych instytucji działających w państwach zaborczych, których delegatury były na terenie odrodzonej Polski. Dlatego niemal od razu mogła wydawać decyzje.

Przez następne 100 lat GUM się rozwijał i pilnował systemu metrologicznego w Polsce, zapewniającego bezpieczeństwo obrotu, jakość i bezpieczeństwo techniczne oraz – zwłaszcza obecnie - rozwój i postęp technologiczny. Dlatego uważam, że jest jedną z najbardziej zasłużonych instytucji Państwa Polskiego.

W planowanej uroczystości weźmie udział m.in. niemiecki fizyk Klaus von Klitzing, laureat Nagrody Nobla w 1985 r. w dziedzinie fizyki, który opowie o redefinicji układu SI.

Dla mnie szczególnie ważne jest, by 100-lecie było nie tylko okazją do celebrowania przeszłości, ale też okazją do spojrzenia w przyszłość.

- Jak pan ją widzi, bo odnoszę wrażenie, że działacie w swoistej ciszy?

- Okręgowe i obwodowe urzędy miar nie narzekają na brak klientów i kontaktów ze światem zewnętrznym.

Silna instytucja metrologiczna interweniuje tam, gdzie to jest niezbędne i dba o najwyższą dokładność. To obszar metrologii prawnej, w którym mamy do czynienia z urządzeniami wymagającymi legalizacji i obowiązkowych sprawdzeń, jak np. wagi, liczniki energii elektrycznej i gazu, wodomierze. Obowiązkowe zatwierdzenie każdego egzemplarza zapewniane jest również przez tzw. ocenę zgodności, którą jego producent wprowadza w swoim zakładzie. Później – przez kontrolę produkcji – poszczególne egzemplarze opisuje odpowiednią deklaracją, a jeśli zachodzi taka potrzeba to są one weryfikowane w nadzorze rynku.

Chciałbym podkreślić, że rolą GUM-u, jak i narodowych instytutów metrologicznych, a zwłaszcza światowych liderów, nie jest tylko zajmowanie się metrologią życia codziennego, bo to robią producenci czy akredytowane laboratoria – w naszym przypadku zajmuje się tym terenowa struktura administracyjna, czyli kilkadziesiąt placówek. Przede wszystkim chodzi o budowę i rozwijanie wzorców na najwyższym poziomie dokładności, wynikającej ze zredefiniowanego układu SI, i wspieranie nią rozwoju technologicznego przemysłu i gospodarki. Dziś postęp technologiczny jest uwarunkowany rozwojem nowoczesnych metod pomiarowych w każdej dziedzinie: od bezpieczeństwa żywności po nawigację satelitarną. One go współtworzą. I istotną rolą narodowych instytutów metrologicznych jest inspirowanie tego rozwoju, prowadzenie prac badawczo-rozwojowych nad wzorcami i technologiami pomiarowymi. Przykładem amerykański Narodowy Instytut Standaryzacji i Technologii (National Institute of Standards and Technology, NIST), z którego wywodzi się 5 laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki z ostatnich 20 lat. Można więc powiedzieć, że metrologia to fizyka na najwyższym poziomie, dotykająca granic nauki.

W GUM też głównie pracują fizycy, ale również chemicy, inżynierowie i coraz więcej matematyków i informatyków. Bo nowoczesna metrologia to także systemy komputerowe, bazodanowe, a urządzenia pomiarowe są praktycznie systemem komputerowym, który trzeba badać i weryfikować.

Naszym podstawowym wyzwaniem jest chęć stania się jednym z liderów postępu technicznego i innowacji. Nie tylko w Polsce, ale i na świecie. Chcielibyśmy dołączyć do światowej ekstraklasy narodowych instytutów metrologicznych, którą tworzą instytuty amerykańskie, niemieckie i brytyjskie, ale dołączają do nich instytuty z Turcji i Korei Płd.

Natomiast jeśli chodzi o przyszłość, to najważniejszym przedsięwzięciem, które będzie nas definiowało w najbliższych dziesięcioleciach, czy nawet w najbliższym stuleciu, jest budowa kampusu laboratoryjnego GUM w Kielcach. Chcemy by ten kluczowy dla polskiej gospodarki projekt stał się przepustką do światowej elity. Poprawi warunki naszego funkcjonowania, bo siedzimy w pięknej, zaprojektowanej przez Antonio Corazziego, zabytkowej kamienicy, która jest w centrum Warszawy. Stwarza to problemy, bo np. niektóre pomiary muszą być wykonywane w nocy, kiedy nie kursuje metro. W przypadku naszej instytucji poziom drgań, zakłóceń i atmosfery pracy nie są właściwe.

W grudniu 2018 r. została podpisana umowa na finansowanie tej inwestycji z funduszy europejskich kwotą 160 mln zł, ale zakładamy, że jest to dopiero początek – I etap. Połowa tej kwoty zostanie przeznaczona budynki, a reszta na najnowocześniejszy sprzęt laboratoryjny, m.in. nowe instalacje do badań promieniowania jonizującego. Planujemy budowę tzw. komór bezechowych, zapewniających najwyższą dokładność pomiarów akustycznych, oraz stanowisk do akustyki podwodnej – dziedziny istotnej dziś w ochronie środowiska i wojskowości.

Otwarcie I etapu planowane jest w końcu 2023 r., bo do tego czasu projekt musimy zamknąć i rozliczyć. Ale chciałbym o tym myśleć jako o początku, a nie końcu.

- Dziękuję za rozmowę.

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl