16. novembril 2018 Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Peakonverentsil toimunud uue rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI hääletuse järgselt avaldab metroloogiakogukond iga põhiühiku kohta lühikirjelduse. Kirjutised ilmuvad kord kuus kuni 20. maini 2019. aastal, mil tähistatakse üleilmset metroloogiapäeva ja jõustatakse SI uued definitsioonid. Käesoleva teksti kokkupanekul on kasutatud EURAMET’i poolt levitatavat ja vabalt kasutatavat teemakohast materjali, mille koostamisel on vabatahtlikkuse alusel osalenud metroloogiainstituutide töötajad erinevatest riikidest ning mille eesmärgiks on avalikkuses tutvustada SI põhiühikuid, nende definitsioone ja uute definitsioonidega kaasnevaid võimalikke muudatusi. AS Metrosert Eesti metroloogia keskasutusena edastab materjali teile, head lugejad.
Esimestena tulevad tutvustamisele pikkuse mõõtühik, meeter, ja valgustugevuse mõõtühik, kandela.
Meeter
Kes ei teaks eesti vanasõna: üheksa korda mõõda, üks kord lõika. Ilmselt võiks see ütlus olla rakendatav kõikide suuruste puhul, aga vast kõige sobilikum on lõigata midagi, mille pikkus on eelnevalt ära mõõdetud. Eesti keeles on sõnal “lõikama” lisaks veel üks tähendus: teepikkust lühendama otseteed kasutades, näiteks “kurvi sirgeks lõikama”, mis kehtib täielikult Ott Tänaku rallisõitude puhul.
Sama “lõikamise” mõte võis olla peas ka tuntud ulmefilmi “Tähesõjad” tegelasel Han Solol, kes kiitis oma kosmoselaeva võimekust filmi IV osas pealkirjaga “Uus lootus”. Kui noor Luke Skywalker ja jedi Obi wan Kenobi pärisid kiire kosmoselaeva järele, siis Han Solo vastus oli: “Te pole kuulnud Millenium Falconist?… See on laev, mis tegi Kesseli retke läbi lühema ajaga kui 12 parsekit”*. Laeva võimekuse kirjeldamisel kasutatud ühik – parsek – pole siiski ajavahemiku vaid vahemaa või teepikkuse iseloomustamiseks. Siiski polnud Han Solo kaugel tänapäeval omaks võetud lähenemisest. Seda sellepärast, et me kasutame kaudselt aega selleks, et defineerida pikkust.
(*“You’ve never heard of the Millennium Falcon? … It’s the ship that made the Kessel run in less than 12 parsecs!” Väljendit “in less than” kasutatakse inglise keeles peamiselt ajaintervallide võrdlusel; sama eesti keeles “lühema ajaga kui”. 1979. aastast saadik pole ühist arusaama selles, kas Han Solo pidas silmas kosmoselaeva omadusi või enda võimekust laeva juhtimisel, et lõigata läbi kurv kujuteldavas kosmoseavaruses tähtede vahel varitseva musta augu lähedal.)
Mida see võiks tähendada? Üks parsek on ligikaudu 3,26 valgusaastat, mis omakorda on vahemaa, mille valgus läbib ühe aasta jooksul. Siin, maapealsetes tingimustes, on meil kasutuses sarnane meetod pikkuse mõõtühiku defineerimiseks.
Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis SI on pikkuse mõõtühik meeter ja seda mõistetakse järgmiselt: meeter on tee pikkus, mille valgus läbib vaakumis 1/299 792 458 sekundi jooksul (17. CGPM, 1983)
Pikkuse mõõtühiku definitsioon pole ammu enam selline, nagu oli kokku lepitud Meetri Konventsiooni sõlmimisel, ja see on tänu tehnoloogia arengule teinud läbi mitmeid muutuseid.
Valguse poolt kindlas ajavahemikus läbitud vahemaa kasutamise põhjuseks on see, et valguse kiirus on meie universumis suurim kiirus (hetketeadmiste põhjal) ja see, et valgus levib vaakumis alati ühel ja samal kiirusel. See aga tähendab, et pole vahet, kuskohas maakeral kaugust mõõta, mille valgus läbib 1/299792458 sekundi jooksul – ikka on vastus sama!
Alates 20. maist 2019 on meetri uus definitsioon järgmine:
Meeter on määratud vaakumis leviva valguse kiiruse fikseerimisega väärtusel 299 792 458 väljendatuna ühiku m⋅s−1− abil, kus sekund on määratletud ΔνCs alusel.
Sümboliga ΔνCs tähistatakse 133Cs aatomi kahe häirimata põhiseisundi struktuurinivoo vahelisele üleminekule vastavat sagedust.
Mis muutub seoses uue definitsiooni kinnitamisega? Tegelikult ei too 20. mai 2019 meetri definitsiooni jaoks kaasa suuri muudatusi ja ehkki sõnastust on lihvitud, jääb selle füüsikaline kontseptsioon samaks.
Kandela
Terminit valgustugevus kohtab esmakordselt Suurbritannias 1860. aastal kehtestatud õigusaktis Metropolitan Gas Act ja selle mõõtühiku esialgseks nimetuseks inglise keeles oli candlepower, mille esitas puhtast vaalavõidisest (spermatseedist) valmistatud küünal kaaluga 76 g (1/6 naela), mis põles kiirusega 7,8 g (120 graani) tunnis. Vaalavõidist saadi kašeloti peast ja kunagi kasutati seda materjali kõrge kvaliteediga küünalde valmistamisel.
Kandela on ainuke rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi SI põhiühik, mis on seotud inimese tajuga. Valgust võib mõõta selle erinevatel sagedustel kombineeritud võimsusega (vattides), mis langeb pinnaühikule. Kuid inimese silm ei suuda valguse kõiki värve näha ühtemoodi. Seepärast on valgustugevuse ühik läbi kaalutud inimsilma tundlikkuse mudeliga erinevatele sagedustele:
kandela on kiirgusallikast etteantud suunas kiiratud monokromaatse 540•1012 hertsise kiirgussagedusega ja samas suunas 1/683 vatti steradiaani kohta kiirgustugevust omava kiirguse valgustugevus (16. CGPM, 1979)
Kuigi valgustugevuse ühiku realiseerimisest füüsilise küünlaga on juba ammu loobutud (vt ülal), siis ühiku nimetuses, kandelas, on viide kunagisele etalonile säilitatud. Tänapäeval on kandela realiseerimine seotud pooljuhttehnoloogia jõudsa arenguga nii valgusallikate (LED-põhised) kui ka valgusevastuvõtjate (räni-põhised) valmistamisel ja kasutamisel. Siinkohal tasub ära märkida, et kandela esitamise rahvusvahelises soovituses Mise en pratique for the definition of the candela and associated derived units for photometric and radiometric quantities in the International System of Units (SI) 2015 on viited teadustöödele, milles on osalenud kaks eesti teadlast.
Inimese silm on tundlikum rohelisele valgusele tajudes vähem sinist ja punast värvi, siiski on see omamoodi eriline valgusevastuvõtja olles väga tundlik ka nõrkadele valgusvoogudele: selge ilmaga on silm võimeline nägema põleva tiku leeki kilomeetrite kaugusele.
Alates 20. maist 2019 on kandela uus definitsioon järgmine:
Kandela, tähis cd, on määratud monokromaatse 540•1012 hertsise kiirgussagedusega kiirgusallika valgusviljakuse Kcd fikseerimisega väärtusel 683 väljendatuna ühiku lm⋅W-1 abil, mis on võrdne cd⋅sr⋅W-1 või cd⋅sr⋅kg-1⋅m-2 ⋅s3, kus kilogramm on määratletud h, meeter c ja sekund ΔνCs alusel.
Sümboliga h tähistatakse Plancki konstanti, c tähistatakse valguse kiirust vaakumis ja ΔνCs tähistatakse 133Cs aatomi kahe häirimata põhiseisundi struktuurinivoo vahelisele üleminekule vastavat sagedust.
Mis muutub seoses uue definitsiooni kinnitamisega? Füüsikaline põhimõte kandela uues sõnastuses jääb samaks, loodetakse täpsuse tõusu otseste seostega sekundi ja meetri kaudu.
Talvisel ajal, kui süüdatakse pühadetuled, on hea saada ettekujutust, kui suurt valgustugevust võis etalonküünal kunagi esitada: üksiku tulukese valgustugevus ketis on ligilähedaselt võrdne endisaegse etalonküünla valgustugevusega. Oluline erinevus on aga selles, et kaasaegsed LED põhised tulukesed tarbivad kordi vähem elektrienergiat kui omaaegsed hõõgniidiga lambikesed.