Historical and metrological aspects of the development of quantum metrology

• Autorzy: Tomilin K. A.

Warianty tytułu

PL

Historyczne i metrologiczne aspekty rozwoju metrologii kwantowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper discusses some of the most important historical and methodological aspects of the current reform in metrology with the adoption of the fundamental constants of h, e and k as units of measurement (velocity of light с was chosen as unit already in 1983). The idea of natural systems of units has arisen from J. C. Maxwell, J. Stoney, M. Planck et al. Some of these systems (Hartree system, Planck system) are widely used in physics along with Gaussian system and practical system SI. It should be noted that the system of units proposed by U.Stille in 1949, based on the choice of the constants c, h, e, k, in fact is underlie of the upgraded SI. The paper also shows that all the dimensional constants are reduced to the primary ones and these formulae should be considered as its definitions. A number of erroneous statements about reducing some of the primary constants to the other ones were caused by using of Gaussian system. The conflict between the system of units used in theoretical physics (Gaussian system, Heaviside-Lorentz system) and the International System of Units (SI) is due to historical reasons, and must be overcome by upgrading both the SI and Gaussian system in accordance with the requirements of modern quantum metrology by explicit allocation of the fine-structure α in electromagnetic laws.

PL

W artykule rozważa się kilka z najważniejszych aspektów historycznych i metrologicznych obecnej reformy system miar wynikających z przyjęcia podstawowych stałych h, e oraz k jako jednostek miar (prędkość światła с została wybrana jako jednostka już w 1983). Koncepcja naturalnego systemu jednostek postała z udziałem J. C. Maxwella, J. Stoneya, M. Plancka i innych. Niektóre takie systemy (system Hartree, system Plancka) są szeroko stosowane w fizyce wraz z systemem Gaussa i systemem SI. Należy zauważyć, że system jednostek zaproponowany przez U. Stille'a w 1949, oparty na wyborze stałych c, h, e, k, faktycznie jest podstawą odnowionego systemu SI. Ponadto w artykule wskazuje się na to, że wszystkie stałe wymiarowe są zredukowane do grupy stałych podstawowych, których wzory (zależności) powinny być traktowane jako ich definicje. Pojawiło się wiele mylnych sformułowań w sprawie zredukowania kilku podstawowych stałych fizycznych do kilku innych dzięki wykorzystaniu system Gaussa. Konflikt między systemem jednostek wykorzystywanym w fizyce teoretycznej (system Gaussa, system Heaviside-Lorentza) a Międzynarodowym Układem Jednostek Miar (SI) wynika z przyczyn historycznych, i powinien on zostać przezwyciężony przez odnowę zarówno systemu SIO, jak i systemu Gaussa, zgodnie z wymaganiami nowoczesnej metrologii kwantowej przez wyraźne wykorzystanie stałej struktury subtelnej α w prawach elektrodynamiki.

Słowa kluczowe

EN

fundamental physical constants; natural systems of units; fine-structure constant; Planck constant; elementary charge

PL

podstawowe stałe fizyczne; naturalny system jednostek; stała struktury subtelnej; stała Plancka; ładunek elementarny

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 54, nr 6
• Strony: 8--10
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz.

Twórcy

autor

Tomilin K. A.

• S. I. Vavilov Institute for the History of Science and Technology RAS

Bibliografia

• [1] Maxwell J. С. Address to the Mathematical and Physical Sections of the British Association, 1870//Maxwell J. C. The Scientific Papers. V. 1-2. Cambridge: Camb. Univ. Press, v. 1, p. 45-60.
• [2] Maxwell J. C. A treatise on electricity and magnetism. Vol. 1-2. Oxford: Clarendon Press, 1873. Vol. 1, 425 pp.
• [3] Stoney G. J. On the physical units of nature//Phil. Mag., 11, p. 381-390 (Apr. 1881).
• [4] Planck M. Über irreversible Strahlungsvorgänge. 5 Mitteilung//S.-B. Preuß. Akad. Wiss., 5, S. 440-480 (1899); Physikalische Abhandlungen und Vorträge. 1958, B.1, S. 560-600.
• [5] Planck M. (1906) Vorlesungen über die Theorie der Warmestrahlung. Leipzig, 1906, 221 S.
• [6] Hartree D. R. The wave mechanics of an atom with a non Coulomb central field//Proc. Phil. Soc. (Cambridge), 24, p. 89-110 (1928).
• [7] Ruark A. E. Natural units for atomic problems//Phys Rev, 38, № 12, p. 2240-2244 (1931).
• [8] Stille U. “Natürliche Messeinheiten” und Elektrodynamik//Ann. d. Phys., 6, № 5, S. 208-212 (1949).
• [9] Tomilin K. A. Natural systems of units//Proc. of the XXII Internat. Workshop on high energy physics and field theory. (Protvino, 23-25 June 1999). Protvino, 2000. P. 287-296.
• [10] Tomilin K. A. Fundamental Physical Constants from the Historical and Methodological Aspects (Moscow: Izd-vo. Fizmatlit, 2006) 368 pp. (in Russian).
• [11] Bronstein M. P. Structure of matter. L.-M.: ONTI, 1935, 244 p. (in Russian).
• [12] Einstein A. Zum gegenwartigen Stand des Strahlungsproblem//Phys. Zeit., 10, S. 185-193 (1909).
• [13] Jeans J. Bericht über den Stand der Strahlungstheorie//Phys. Zeit., 14, № 25, S. 1297-99 (1913).
• [14] Dirac P. A. M. The evolution of the Physicists's Picture of Nature//Scien. Amer. V. 208 (5). P. 45-53 (1963).
• [15] La théorie de rayonnement et les quanta (I Solvay Congress, 1911)., P. 1912.
• [16] Sommerfeld A. Über die Anfange der Quantentheorie von mehreren Freiheitsgraden//Naturwiss. 17. S. 481-483 (1929).
• [17] Born M. The mysterious number 137//Proc. Indian Acad. of Sciences A2, p. 533-561 (1935).
• [18] Pauli W. Raum, Zeit und Kausalitat der Modernen Physik//Sciencia (Milan), 59. S. 65-76 (1936).
• [19] Weyl H. The main features of the physical world; morphe and evolution. In: Weyl H. Philosophy of mathematics and natural sciences, Appendix F. Princeton, 1949, p. 285-301.
• [20] Bridgman P. Dimensional analysis. New Haven, Yale univ. press, L., Oxford Univ. Press, 1931, 113 pp.
• [21] Hartree D. R. The calculation of Atomic Structures. New York: Wiley & Sons, 1957, 181 pp.
• [22] Wilczek F. On Absolute Units. I: Choices//Physics Today 58, 10, p. 12-13 (2005).
• [23] Tomilin K. A. Fine-structure constant and dimension analysis//Eur. J. of Phys. Vol. 20, N5, L39 (1999).
• [24] Karshenboim S. G. Fundamental physical constants: their role in physics and metrology and recommended values//Phys. Usp. 48 255-280 (2005).
• [25] Karshenboim S. G. On the redefinition of the kilogram and ampere in terms of fundamental physical constants//Phvs. Usp. 49. P. 947-954 (2006).
• [26] Nawrocki W. The quantum SI – towards the new system of units//Metrology and Measurement Systems, vol. 17, No 2, p. 139-150 (2010).
• [27] Fifty years of efforts toward quantum SI units. An international satellite meeting of the Third [Russian] Workshop on Precision Physics and Fundamental Physical Constants (St. Petersburg, December, 7-10, 2010).
• [28] Discussion Meeting Issue “The new SI based on fundamental constants” organized and edited by Terry Quinn (October 28, 2011)//Phil. Trans. R. Soc. A 369 (2011).
• [29] Mills I. M., Mohr P. J., Quinn T. J., Taylor B. N., Williams E. R. Adapting the International System of Units to the twenty-first century//Phil. Trans. R. Soc. A 369, p. 3907-3924 (2011).
• [30] Resolutions adopted at the 24th meeting of the CGPM (2011).
• [31] Sommerfeld A. Über die Dimensionen der elektromagnetischen Grössen//Phys. Zeit. 36, S. 814-818 (1935).