Новый шумовой термометр позволит уточнить постоянную Больцмана
Группа исследователей из Национального института стандартов и технологии (США) объявила об успешном завершении многолетней работы над новым шумовым термометром. Создатели надеются, что с помощью него удастся уточнить постоянную Больцмана и переопределить градус по шкале Кельвина.
В основу работы данного термометра положено явление, называемое шумом Джонсона. Дело в том, что в любом проводнике, даже не подсоединенном к источнику тока, все равно есть некоторый ненулевой переменный ток, обусловленный термическим движением электронов. Важным для применения этого шума в измерении является, во-первых, его пропорциональность температуре проводника, а во-вторых, горизонтальный частотный спектр. То есть мощность шума не зависит от частоты тока. Подобные шумы в физике получили название "белых шумов". Зная зависимость силы тока от температуры можно измерять последнюю с высокой точностью.
Основной проблемой, которую решали создатели термометра, является необходимость сверхточного измерения слабого тока в проводнике с известным сопротивлением. Для уменьшения ошибок измерения они использовали специально разработанный метод калибровки аппаратуры при помощи синтезатора волн случайной формы Джозефсона (Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer). Это устройство основано на квантовом эффекте Джозефсона, эффекте возникновения электрического тока в диэлектрике, помещённом между двумя сверхпроводниками. При этом параметры возникающего тока (частота и сила) связаны таким образом, что их измерение не вносит ошибок в общие вычисления.
Относительная простота конструкции прибора и независимость от параметров окружающей среды позволяет использовать его не только в лабораториях, но и как сверхточный промышленный термометр. Наиболее интересным, однако, является тот факт, что данный термометр в настоящее время борется за право уточнить постоянную Больцмана и переопределить кельвин.
Известно, что одну из ключевых ролей в физике играет понятие единицы измерения. Традиционно они определяются при помощи некоторых физических объектов и сред. Так, например, единица измерения температуры называется градусом Кельвина и определяется следующим образом: 0 К - гипотетическая точка полного отсутствия тепловой энергии; 273,15 К - температура тройной точки воды, то есть такая температура, что вода присутствует одновременно в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. В 2008 году этому определению исполняется 52 года. Последние несколько десятилетий, однако, наблюдается стремление мирового научного сообщества переопределить единицы измерения, привязав их к фундаментальным постоянным. Чтобы определить таким способом градус Кельвина, требуется постоянная Больцмана, связывающая энергию частиц газа с его температурой. Последний раз эту постоянную измеряли более двадцати лет назад, используя совершенно другие методы.
Ожидается, что с помощью шумового термометра постоянная Больцмана будет измерена с высокой точностью, хотя сам процесс займет более месяца, включая анализ полученных данных.
Подробный доклад будет представлен 9 июня на конференции по точным электромагнитным измерениям в Блумфилде (Колорадо, США).