Метрическая система на все времена, для всех народов

Дано краткое описание основных методов определения постоянной тонкой структуры. Показано, что точное значение постоянной тонкой структуры важно для новой Международной системы единиц и фундаментальной метрологии. Представлены современные результаты измерений и теоретических расчётов постоянной тонкой структуры, а также её возможных пространственно-временны́х вариаций. Приведены результаты лабораторных экспериментов по поиску долговременных вариаций постоянной тонкой структуры. Приведены данные астрофизических и космологических наблюдений о возможной переменности постоянной тонкой структуры. Отмечены возможность несколько меньших значений постоянной тонкой структуры в удалённом прошлом по сравнению с её современным значением, а также существование нерешённых проблем, связанных с возможными пространственно-временны́ми вариациями постоянной тонкой структуры и разбросом результатов её точных лабораторных измерений. Несмотря на отсутствие экспериментально подтверждённых на высоком уровне точности долговременных вариаций постоянной тонкой структуры отмечены возможные практические применения полученных результатов, а именно создание оптического стандарта частоты с высокой стабильностью и точностью воспроизведения частоты излучения на основе иона иттербия-171 и лазерного синтезатора частоты, который, возможно, придёт на смену цезиевому стандарту частоты.

Проведён сравнительный анализ ряда как теоретических, так и феноменологических соотношений между константами расширенной Стандартной модели электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий фундаментальных частиц (далее – расширенная Стандартная модель) для обнаружения возможных корреляций между константами в кварковом и лептонном секторах. Наличие таких корреляций свидетельствовало бы о связях констант в рамках более общей теории, чем расширенная Стандартная модель. Рассмотрен ряд теоретических соотношений между константами и оценена точность выполнения этих соотношений, полученных в основном приближении расширенной Стандартной модели. Рассмотрены феноменологические соотношения между массами токовых и конституентных кварков и углами их смешивания. Получена типичная оценка точности выполнения рассмотренных теоретических и феноменологических соотношений. Предложено феноменологическое соотношение между массами конституентных кварков и углом смешивания кварков. Подтверждено соотношение кварк-лептонной дополнительности для углов смешивания кварков и нейтрино. Приведены функциональные зависимости констант связи электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий от квадрата четырёхмерного вектора энергии-импульса. Рассмотрен пример теории великого объединения и возможные этапы спонтанного нарушения её калибровочной симметрии до уровня калибровочной симметрии расширенной Стандартной модели. Отмечено, что на этих этапах спонтанного нарушения возникают дополнительные частицы Хиггса. Проверенное в статье соотношение кварклептонной дополнительности для углов смешивания кварков и нейтрино может быть следствием фундаментальной связи между матрицами Кабиббо-Кобаяши-Маскавы и Понтекорво-Маки-Накагава-Сакаты в будущей теории великого объединения. В этом случае полученный результат будет способствовать нахождению такой теории.

Качество формируемого оптической системой изображения определяется её частотно-контрастной характеристикой или коэффициентами передачи модуляции на различных пространственных частотах. Для обеспечения единства измерений коэффициентов передачи модуляции и создания эталонной базы по воспроизведению, хранению и передаче единицы коэффициента передачи модуляции усовершенствован Государственный первичный эталон единиц оптической силы очковой оптики ГЭТ 205-2013 в части воспроизведения единицы коэффициентов передачи модуляции в диапазоне длин волн 450–1550 нм. Представлены состав, принцип работы и основные метрологические характеристики Государственного первичного эталона единиц оптической силы и коэффициента передачи модуляции очковой оптики и объективов ГЭТ 205-2025. В состав ГЭТ 205-2025 входит установка для измерения коэффициентов передачи модуляции оптических систем и набор эталонных объективов. ГЭТ 205-2025 обеспечивает единство измерений коэффициентов передачи модуляции оптических систем в спектральном диапазоне дискретных значений длин волн 450–1550 нм и позволяет передавать эту единицу методом сличения с помощью компаратора рабочим эталонам, в качестве которых выступают меры коэффициентов передачи модуляции в виде линз. От рабочих эталонов методом прямых измерений коэффициент передачи модуляции передаётся соответствующим средствам измерений: устройствам для измерения коэффициентов передачи модуляции, системам измерения частотно-контрастной характеристики, скамьям оптическим, станциям контроля качества оптических систем.

Рассмотрены теоретические основы математической обработки результатов косвенных измерений в виде частного. На практике результаты измерений и показатели точности представляют приближёнными формулами, полученными методом линеаризации. При этом корректное представление результатов предусматривает определение систематической погрешности результата путём дополнительной оценки степени приближённости формул. Показано, что систематическую погрешность результата косвенных измерений можно определить при известных средних арифметических значениях и средних квадратических отклонениях результатов измерений. Уточнить значение дисперсии без рассмотрения вопроса о законах распределения случайных погрешностей результатов измерений практически невозможно. Установлено, что аналитическую формулу для частного случайных величин, выведенную в рамках необходимых и достаточных условий разложения в ряд Тейлора частного случайных величин, можно представить в виде линейной функции случайных погрешностей результатов измерений. Для указанной линейной функции на основе теорем о числовых характеристиках функций случайных аргументов получены точные формулы, описывающие математическое ожидание и дисперсию и совпадающие с формулами, используемыми на практике как приближённые. Формулы, представляющие результат косвенных измерений в виде частного, получены методом, отличным от метода линеаризации, что позволяет считать эти формулы точными и не оценивать точность их приближения. Результаты проведённых исследований будут полезны специалистам, занимающимся измерениями в различных областях науки и техники, например, приборостроителям, метрологам, студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

Оценку соответствия измерительного оборудования, которую также можно назвать верификацией, при калибровке в аккредитованных калибровочных лабораториях допускается выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ ISO/IEC 17025:2019 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий» по запросу заказчика. Однако выполнение этой задачи на практике зачастую сопряжено со значительными трудностями, обусловленными недостаточным уровнем знаний сотрудников лабораторий в области теории вероятностей и теоретической метрологии, а также отсутствием чётких и однозначных правил в отношении способов оценки соответствия. Поэтому для аккредитованных калибровочных лабораторий необходимо разработать рекомендации, содержащие как теоретические разъяснения, так и конкретные правила принятия решений для измерительного оборудования и/или областей измерений отдельных видов. Рассмотрена оценка соответствия измерительного оборудования любого вида в целом и её отдельные элементы: требования к оборудованию; правило принятия решения; риск принятия ложного решения; неопределённость измерений. Проанализированы правила оценки соответствия в области измерения геометрических параметров изделий, регламентируемые международными стандартами ISO серии 14253. На примере калибровки штангенциркуля рассмотрены три варианта оценки соответствия этого прибора, отличающиеся применяемыми правилами принятия решений, а также способами вычисления неопределённости измерений. Отмечены противоречия заключений о соответствии при разных вариантах оценки соответствия, проанализирована правомерность применения на практике трёх рассмотренных вариантов. Полученные результаты исследования, в том числе рекомендации по выбору варианта оценки соответствия, будут полезны при разработке правил принятия решений аккредитованными калибровочными лабораториями, работающими как в области измерений геометрических параметров изделий, так и в других областях измерений, а также будут способствовать повышению уровня квалификации специалистов, занимающихся вопросами оценки соответствия и верификации различных объектов.

Рассмотрено оценивание традиционных числовых характеристик многомодальных симметричного и несимметричного законов распределения одномерных случайных величин при больших объёмах статистических данных. Выполнен сравнительный анализ эффективности методов оценивания указанных характеристик по исходным статистическим данным и по результатам декомпозиции этих данных с использованием четырёх формул дискретизации интервала значений случайной величины – Старджесса, Брукса-Каррузера, Хайнхольда-Гаеде и формулы оптимальной дискретизации, предложенной авторами настоящей статьи. Применение таких формул дискретизации позволяет обойти проблему больших выборок. Для этого сформированы массивы данных, позволяющие оценивать числовые характеристики законов распределения случайных величин с учётом их дискретных значений. По преобразованным массивам данных вычислены оценки математического ожидания, среднего квадратического отклонения, коэффициентов асимметрии и эксцесса. Сравнены оценки числовых характеристик рассмотренных законов распределения для непрерывной и дискретной случайных величин при различных объёмах исходных статистических данных. Установлена эффективность методов оценивания числовых характеристик многомодальных законов распределения по исходной статистической информации и результатам преобразования данной информации с использованием указанных формул дискретизации. Достоверность сравнения показателей эффективности исследуемых методов подтверждена с применением критерия Колмогорова-Смирнова. Показано, что формула Хайнхольда-Гаеде и предложенная авторами формула оптимальной дискретизации более эффективны по сравнению с формулами Старджесса и Брукса-Каррузера. Полученные результаты можно использовать при обработке данных дистанционного зондирования природных объектов, которые характеризуются большим объёмом статистической информации и многомодальными законами распределения спектральных признаков.

Для уменьшения количества ошибочных водохозяйственных решений необходимо достаточно строгое метрологическое обеспечение исследований состава и свойств природных вод. Использование при этом стандартных методов требует расширения объёмов гидрологического мониторинга и увеличения точности получаемых данных с целью обеспечения их репрезентативности, включая способность отражать общие тенденции и переносить итоги исследования на более широкий круг объектов. В качестве возможной альтернативы стандартным методам предложено анализировать накопленную измерительную информацию с помощью нечёткой логики. Разработана и апробирована методика применения методов и математического аппарата нечёткой (многозначной) логики для решения метрологических водно-экологических задач на примере оценки качества воды. Методами нечёткой логики исследовано влияние четырёх факторов-причин «Выщелачивание», «Выветривание и осадки», «Антропогенные сбросы», «Самоочищение» на фактор-следствие «Понижение качества воды против фонового» в пятиуровневой шкале Харрингтона, принятой при экспертно-статистическом оценивании. С использованием пакета программных средств MatLab, включающего модуль Fuzzy Logic, получены прогнозы изменения качества воды в зависимости от четырёх факторов. Методика оценки качества природной воды апробирована на конкретном примере настройки нечёткой системы оценки качества воды. Установлено, что риски ошибок хотя существуют, однако они значительно уменьшены путём учёта плохо формализуемой лингвистической информации экспертов-гидрологов. Показана возможность применения методики для априорной оценки вероятных последствий изменения влияющих факторов на снижение качества воды и принятия превентивных мер оптимизации работы системы водопользования.

Повышение точности измерений в динамической гониометрии неразрывно связано с достижением предельной точности оптического нуль-индикатора. Это устройство входит в состав углоизмерительных приборов, работающих по принципу динамического гониометра. Автоколлиматор-нуль-индикатор при совпадении его оптической оси с нормалью к контролируемой отражающей поверхности вырабатывает электрический импульс, по которому считываются показания угловой шкалы динамического гониометра. Предельная точность автоколлиматора-нульиндикатора определяется его случайной погрешностью. Экспериментально исследована случайная погрешность измерений неизменяемого углового положения отражающего зеркала в разное время суток. Показано, что при измерениях в дневное время преобладают внешние шумы – различные вибрации, флуктуации воздуха и внешнего освещения, которые зависят от расстояния между автоколлиматором-нуль-индикатором и зеркалом, а при измерениях в ночное время влияние внешних воздействий на результаты измерений минимально, что позволило получить погрешность измерений в ночное время на уровне фликкер-шума. Экспериментальные данные проанализированы с использованием методов математической статистики, вариации Аллана и вейвлет-анализа. Определено, что массивы случайных величин, характеризующих случайную погрешность, являются нестационарными. Минимальное значение случайной погрешности автоколлиматора-нуль-индикатора составило 0,001″. Полученные результаты представляют интерес для специалистов, разрабатывающих и использующих оптоэлектронные приборы на базе автоколлиматора.

Рассмотрена задача оптической реконструкции изображений объектов с использованием отображения квантованных компьютерно-синтезированных голограмм на высокоскоростном микрозеркальном модуляторе света. Операция квантования световых распределений широко применяется в задачах хранения, передачи, обработки и сжатия информации. Для определения наиболее универсального метода квантования голограмм исследованы четыре итеративных и четыре неитеративных метода квантования, а также два метода, предложенных ранее авторами настоящей статьи и основанных на неитеративном анализе гистограммы распределения интенсивности. Для перечисленных методов квантования проанализированы скорость преобразования (квантования) и качество изображений, оптически восстанавливаемых с помощью компьютерно-синтезированных голограмм. Голограммы отображались на микрозеркальном модуляторе света, изображения объектов восстанавливались в лазерном излучении. Качество восстановления оценено с помощью таких метрик качества, как индекс структурного сходства, коэффициент корреляции и спекл-контраст. Установлено, что из всех рассмотренных методов квантования качество восстановленных изображений выше при использовании гистограммных методов – на 19 % по сравнению с неитеративными методами и на 15 % по сравнению с ресурсоёмкими итеративными методами (расчёт по метрикам качества). При этом скорость квантования голограмм разработанными гистограммными методами на порядок выше скорости итеративных методов. Совместный учёт относительной интенсивности и указанных метрик качества реализован путём вычисления целевой функции. Рассчитанное значение целевой функции для гистограммных методов больше её значений для неитеративных и итеративных методов на 5 и 2 % соответственно. Полученные результаты демонстрируют преимущества гистограммных методов (высокое качество квантования в совокупности с малым временем обработки изображения) по сравнению с рассмотренными методами квантования в задаче реконструкции изображений из бинарных голограмм. Исходя из этого можно рекомендовать использовать рассмотренные гистограммные методы квантования при оптической реконструкции объёмных сцен, компрессии голографических данных, а также высокоскоростной модуляции световых полей.

Реализация космического эксперимента «Солнце-Терагерц» планируется на борту российского сегмента Международной космической станции в 2026–2029 гг. Цели эксперимента – получение данных о терагерцевом излучении Солнца, а также изучение солнечных активных областей и солнечных вспышек. Научная аппаратура эксперимента «Солнце-Терагерц» состоит из восьми детекторов, целевые частоты которых лежат в диапазоне 0,4–12,0 ТГц. Приведены ожидаемые спектральные характеристики научной аппаратуры и кратко описан метод их экспериментальной проверки с помощью установки дополнительного отрезающего фильтра. Отмечена необходимость повышения частотной селективности детекторов и рассмотрены два метода такого повышения. Для оценки чувствительности детекторов проведён эксперимент по измерению солнечного излучения с помощью одноканального макета. Макет представляет собой полный аналог одного детектора научной аппаратуры с возможностью замены полосовых терагерцевых фильтров. Для одноканального макета изготовлены двухосная поворотная платформа и датчик облачности. По итогам экспериментальной проверки сделаны выводы о достаточной чувствительности детекторов научной аппаратуры для выделения солнечного сигнала на фоне собственных шумов и возможности улучшения характеристик в отношении частотной селективности. При этом целесообразно использовать метод линейной комбинаций сигналов детекторов. Полученные результаты полезны экспериментаторам, занимающимися спектрометрическими научными приборами на базе оптоакустических преобразователей (ячеек Голея) и других чувствительных элементов.

Представлен модифицированный метод эффективной спектральной и корреляционной пространственно-временно́й обработки сигналов, предназначенный для работы в условиях высокой динамики интенсивности входного потока и варьирования частотно-временно́го ресурса цифровой обработки. В основе метода лежат адаптация алгоритмов и уточнение целей и задач обработки. Разработана методика достижения высокого инструментального разрешения сигналов по спектральным и/или корреляционным признакам. Рассмотрены аспекты повышения эффективности пространственно-временно́й обработки сигналов, актуальные для радиотехнических измерительных систем с цифровыми фазированными антенными решётками и системами селекции движущихся целей. В модифицированном методе учтена вариабельность (изменение типа) обрабатываемых сигналов. Предложены меры по снижению требований к динамическому диапазону входного потока за счёт использования грубых (малоразрядных и бинарных) статистик. Расширена номенклатура частот, включая временны́е и пространственные спектры законов распределений (характеристических функций). Учтены технические (аппаратные и программные) ограничения, предполагающие применение грубого квантования сигналов. Эффективность обработки достигается путём обеления (режекции доминирующих составляющих) пассивных помех до основного этапа – применения метода обращаемого спектрального анализа, а также традиционных стохастических алгоритмов, включая увеличение размеров выборок (апертур, окон) и повышение скорости сходимости измерений в базовом методе Монте-Карло. Полученные результаты можно использовать в радиотехнических измерительных комплексах, включая радиолокационные системы, для задач радиои радиотехнического мониторинга, а также для измерения координат дальности и пеленга.

Приведён обзор применения методов оптической томографии в области биологических и физико-химических исследований. Описаны возможности существующих методов. Однако возможности оптической томографии при исследовании клеточной биологии ещё не до конца изучены. В настоящее время большое внимание уделяется исследованиям с помощью оптической томографии клеток крови, в частности эритроцитов. Разработан метод исследования перераспределения молекул гемоглобина в одиночных нативных эритроцитах при изменении осмолярности среды. Метод основан на принципах дифференциальной оптической томографии и её модификаций. Данный метод позволяет получать информацию об изменении морфологических и физиологических параметров клеток в реальном времени без использования экзогенных меток в качестве контраста для визуализации. Предложен оригинальный алгоритм обработки данных дифференциальной томографии: восстановление фазовых изображений отдельных эритроцитов. В результате обработки данных получены трёхмерные изображения изменений показателя преломления в течение двух часов экспозиции эритроцита в гипоосмолярной среде. Рассчитаны некоторые параметры клеток, включая морфологию и сухую массу белков, и их изменения в среде в условиях, отличных от нормальных физиологических условий in vivo. Показаны изменения морфологии клеток, уменьшение сухой массы, получены трёхмерные карты распределения внутриклеточного гемоглобина. Обнаружено, что существенные изменения показателя преломления в цитоплазме эритроцита при изменении тоничности раствора наблюдаются в примембранном слое. Данный метод может найти применение в прикладных исследованиях в области биологии и медицины для оценки общих физических свойств различных клеток в нормальных или аномальных условиях, включая клетки крови, бактерии, нейроны, водоросли, раковые клетки и т. д.

Рассмотрено изменение свойств воды под влиянием различных внешних факторов и указано на отсутствие общепризнанной методики учёта влияния воздуха на дистиллированную воду. Проанализирована возможность инструментальной оценки воздействия диоксида углерода СО₂ на электропроводность дистиллированной воды. С этой целью экспериментально исследована инерционность газообмена СО₂ на границе раздела вода/воздух в герметичных кондуктометрических ячейках со степенью заполнения дистиллированной водой в пределах 10–100 % и при скоростях нагрева (охлаждения) воды 0,04–2,00 °С·мин^–1. Предложен метод численной оценки инерционности газообмена СО₂ на границе раздела вода/воздух с использованием специального коэффициента инерционности газообмена. Данный коэффициент рассчитан по соотношению изменения удельной электропроводности воды к среднему значению этого параметра в режиме «нагрев – охлаждение». При измерениях электропроводности воды её температура изменялась в пределах 20–55 °С. По результатам экспериментов получены зависимости коэффициента инерционности газообмена от скорости нагрева воды при различных коэффициентах заполнения ячейки. Показано, что инерционность газообмена максимальна при максимальной скорости нагрева (охлаждения) воды и минимальном заполнении ячеек водой. Наибольшее значение коэффициента инерционности газообмена СО₂ в проведённых экспериментах составило около 8 %. Полученные результаты на практике можно применять для количественной оценки проницаемости границы раздела вода/воздух для молекул СО₂ при различных внешних воздействиях на воду.