Tematika
MÉRTÉKEGYSÉGEK ÉS ETALONOK KULTÚRTÖRTÉNETE
Választható tárgy
(2021. tavaszi félév)
Az előadó, dr. Pataki Péter címzetes docens, az Országos Mérésügyi Hivatal nyugalmazott
elnökhelyettese. Az EUROMET magyar delegátusaként másfél évtizeden keresztül vett részt
az alkalmazott és tudományos metrológia nemzetközi együttműködéseiben. Korábbi, két
évtizedes egyetemi munkássága is a műszer- és méréstechnika kutatás-fejlesztésére,
valamint a Méréstechnika tárgy előadására vonatkozott (Pataki: Méréstechnika I.,
jegyzetszám: 51442) . A Schnell László Műszer- és Méréstechnika Alapítvány leköszönt
elnökeként huszonnégy éven keresztül támogatta a BME Méréstechnika és Információs
Rendszerek Tanszék oktatási-kutatási tevékenységét és a villamosmérnöki kar hallgatóit.
Az előadás célja az alapegységek és elsődleges etalonok fejlődéstörténetének bemutatása, a mai
megvalósítások fizikájának tárgyalása. Az előadás súlyt helyez a tudománytörténeti, az elméleti és
technológiai valamint a nemzetközi együttműködési vonatkozások bemutatására, illetve a várható
fejlődési irányok felvázolására. Közel száz vetített ábra és kép segíti a megértést és színesíti az
eladást.
A tárgy részletes tematikája:
1. fejezet: Történelmi áttekintés
A metrológia mint a mérés tudományának és technikájának összessége. A mérés elméleti és
technológiai megközelítése. A mértékegység és etalonjai. A mérési eredmény megbízhatósága,
összehasonlíthatósága és visszavezethetősége, mint a mérési eredmény kölcsönös
elismerhetőségének feltétele.
A mérési kultúrára jellemző példák, súlypontok a különböző korokban:
- ókori folyómenti kultúrák (kínai, indiai, mezopotámiai, egyiptomi) valamint hellén és római civilizációk,
- középkor, az „ezer év sötétség”, ami valójában a gazdálkodás, árutermelés, építészet, matematika
és a mérések egységesítésének kora,
- reneszánsz, fellendülés a művészetben - megtorpanás a tudományban(?), a földrajzi felfedezések
kora – a tengeri navigáció,
- géniuszok százada, a kísérleti és elméleti tudomány híres párosai, absztrakció és modellezés,
csillagászat és helymeghatározás,
- felvilágosodás és a XX. század első harmada, új tudományterületek megjelenése, az eltérő
mértékegységek „káosza”, az egységesítés és a statisztikai szemlélet kialakításának igénye,
2. fejezet: Mértékegységrendszerek
A méterrendszer: a felvilágosodás, a francia forradalom szerepe a metrikus méterrendszer
terjedésében. Gauss és Maxwell munkássága a koherens egységrendszerek, az alapegységek
kialakításában. A Méteregyezmény és párizsi központjának létrehozása (1875), magyar tudósok és a
Osztrák-Magyar Monarchia közreműködése. SI nemzetközi egységrendszer bevezetése (1960) és
elterjedésének buktatói (pl.: egy Mars-űrszonda katasztrófája (1999). SI alapegységek rendszere.
3. fejezet: Időetalonok
Az idő alapegysége a másodperc: a homokórától az atomóráig. Az atomórák fizikája, egy maxwelli 2
jóslás megvalósulása, a cézium frekvenciaforrás pontosságának korlátai, a lézerhűtés technikája és
az ötödik halmazállapot kísérleti igazolása. A „határtalan pontosság” és a nemzetközi időskála.
4. fejezet: Hosszúságetalonok
A hosszúság alapegysége a méter: történelmi áttekintés, a méterdefiniciók és etalonjaik fejlődése. Bay
Zoltán úttörő munkássága: lézerhullámhossz, mint hosszetalon. A lézerek fizikájának és típusainak
tárgyalása. Lézer-méteretalonok hullámhosszának átszármaztatása mechanikai hosszetalonokra
(mérőhasábokra): Michelson-interferométerek.
Hosszúságmérés kapcsolódó mérései: érdességmérések (atomi méretekben pásztázó tűszondás
mikroszkóppal, felületi profil mérése interferométerrel, stb.), távolságmérések (Jákob-pálcájától a „total
station”-okig, illetve a globális navigációs szatellit rendszerekig. Lézerfrekvencia mérése atomórával!
Öt nagyságrenddel eltérő frekvenciák összehasonlításának technológiája: a Femtoszekundumos
Optikai Frekvenciafésű Technológia tárgyalása. Az impulzuslézerek hatalmas
teljesítménysűrűségének, femto-szekundumos pulzusszélességének szerepe a frekvencia-
összehasonlításban, az atomi építőelemek mozgásának lefényképezésében, a szabályozott
magfúzióban, a csillagháborúba, stb.
5. fejezet: Elektromos etalonok, mágneses összehasonlítások
Az amper villamos alapegység kvantumfizikai megvalósítása töltésszámlálással, valamint feszültség-
és ellenállás-etalonokkal: Josephson-etalon, Kvantum Hall-etalon és a Single Electron Transistor
fizikája és technológiája. A pontosság kvantumfizikai korlátai: a megvalósítási és reprodukálási
bizonytalanságok megkülönböztetése.
A kvantumfizikai elvű primer etalonokról való továbbszármaztatás nagypontosságú eszközei: Zener-
etalonok, ellenállásetalonok (pl. Hamon-osztók) illetve az összehasonlítás szupravezető eszközei az
áramkomparátor (CCC) és a nagyérzékenységű nullindikátor magnetométer (SQUID).
Napjaink kihívása a µ 0 és ɛ 0 kísérleti meghatározása, aminek ígéretes eszközei lehetnek a Kvantum-
Hall Etalon (QHE) és a Thompson-Lampard Keresztkondenzátor (TLC).
6. fejezet: Tömegetalonok
A tömeg alapegysége a kilogramm: történelmi áttekintés, az egyetlen alapegység, amelynek
definíciója másfél évszázadon keresztül egy prototípus. A nemzetközi prototípus stabilitásának és a
nemzeti tömegetalonok kalibrálásának kérdései. A természeti állandó alapú tömeg-meghatározás
alternatívái, az új etalonkísérletek fizikája és a pontossági határok. Két módszer – a „varázsgömb” és
az „árammérleg” - amelyek kiegészítik egymást, és remélhetőleg lebontják a korlátokat. A 2011-re várt
új tömegdefiníció halasztásának okai. A 2019-es új tömeg-meghatározás, amely megváltoztat
alapegységeket és szemléletmódot egyaránt (az „Új SI”).
A tömeghez kacsolódó egységek: nehézségi gyorsulás és gravitációs állandó (graviméterek, GRACE
és a LIGO programok), súlymérések kapcsán az összehasonlítási módszerek rendszerezése,
valamint erő-, nyomás- és áramlásmérések nagypontosságú etalon-berendezései.
7. fejezet: Hőmérséklet-, fényerősség- és anyagmennyiség egységei és etalonjai
A hőmérséklet egysége és etalonmértékei. Az etalon hőmérsékleti pontokat megvalósító fix-pontok
fizikája és technológiája (pl. hőáram-kompenzált hőszigetelés). Összehasonlító eszközök fizikája és
az interpolációs technikák szerepe a nagypontosságú hőmérsékletmérésben. Kémiai és biológiai
etalonok, anyagminták megvalósításának, valamint e két szakterület mérési eredményei kölcsönös
elfogadhatóságának aktuális kérdései és a gazdasági szükségszerűség.
8. fejezet: A természeti állandók felosztása, megismerhetősége és bizonytalansága (Maxwell-től
Hawking-ig)
9. fejezet: Az „Új SI” koncepciója, az alapegységek definicióinak megváltozása (2019.)
10. fejezet: A statisztika és az etalon: történelmi példák, a legkisebb négyzetek módszerének
születése (Legendre és Gauss vitái), a tolerancia Gauss-i etalonja, egy eloszlás titokzatos feltalálója,
...
11. fejezet: A GUM-etalon: a bizonytalanság típusú megközelítés. Példa: az eredő kiterjesztett
bizonytalanság becslése, mint a mérés- és áramkörtervezés hatékony eszköze.
12. fejezet: Kalibrálás és visszavezethetőség
13. fejezet: Mérés és gazdaság, gigantikus invesztíciók, „A pontos mérés a fizika szíve, tapasztalatom
szerint az új fizika a következő tizedesnél kezdődik. (S.Chu)”
14. fejezet: Híres magyarok, Eötvös Lorándtól Simonyi Károlyig
A távoktatásban előadott tárgy elsajátítását Pataki P.: Mértékegységek és etalonok kultúrtörténete c.
elektronikus könyv támogatja.
Pataki Péter
2020.10.16.