Alltid på jakt efter bättre sätt att mäta alla möjliga saker, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har publicerat en detaljerad studie som föreslår en "elegant" förbättrad definition för standardenheten för ljuskraft, den optiska watten.

Men det är mer än bara en möjlighet att nörda över en internationell mätenhet. Den föreslagna definitionen lovar en mer exakt, billigare och mer portabel metod för att mäta denna viktiga kvantitet för vetenskapen, teknologi, tillverkning, handel och nationellt försvar.

Istället för den nuvarande definitionen baserad på jämförelser med elvärme, NIST-studien antyder att den optiska watten kan bestämmas utifrån ljusets strålningskraft och dess hastighet, en fundamental konstant. Grundkonstanter är siffror som förblir desamma över hela världen, göra mätningar baserade på dem universella. Primära standarder som definierar måttenheter baserade på fundamentala konstanter anses vara idealiska.

"Johannes Kepler gjorde de första observationerna av strålningstrycket i början av 1600-talet, "NIST -projektledare John Lehman sa." För några år sedan, vi bestämde oss för att skapa en primär mätstandard på denna grund." Kanske kommer vi alla en dag att omdefiniera optisk kraft på detta sätt."

Den föreslagna definitionen är baserad på James Clerk Maxwells arbete 1862 som visar att kraften som utövas av ljus är proportionell mot dess kraft dividerat med ljusets hastighet. Nu, praktiska mätstandarder kan skapas på denna grund tack vare de senaste tekniska framstegen från NIST.

NIST -förslaget är synkroniserat med den senaste omdefinieringen av International Systems of Units (SI), erbjuda mer tillförlitliga mätningar baserade på oföränderliga egenskaper hos naturen. Watt är SI-enheten för effekt, som, som Maxwell fann, kan användas för att beräkna kraft, eller tvärtom. NIST-förslaget kan också hjälpa till att lösa debatter om hur man bäst definierar en relaterad optisk kvantitet som kallas ljusintensitet. Denna kvantitet uttrycks i termer av SI -basenheten kallad candela, vilket delvis beror på egenskaperna hos människans syn.

Den nya studien gjordes i samband med NIST:s lasereffektmätning och kalibreringstjänster, Erbjöds först 1974. Under de senaste åren har NIST-forskare utökat utbudet av ljusstyrka som kan mätas, från mycket låg ljusintensitet på ett fåtal fotoner (ljuspartiklar) per sekund till 100-kilowatt-lasrar som avger 100, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 fotoner per sekund.

För att mäta optisk effekt på konventionellt sätt, forskare riktar en laser mot en belagd detektor, mäta detektorns temperaturförändring, och bestäm sedan den elektriska effekt som behövs för att generera en motsvarande mängd värme. Som krävs för mätstandarder, denna metod kan spåras till SI, men indirekt genom volten och ohm, som i sin tur är "härledda enheter" baserade på nist-ekvationer som använder flera SI-enheter. NIST:s utrustning för att mäta den optiska watten på detta sätt är stor och inte bärbar.

I det nyare tillvägagångssättet, laserkraft kan mätas genom att jämföra den med tyngdkraften på en referensmassa (typiskt vägd på en "analytisk våg" eller våg) eller en motsvarande kraft. NIST har nyligen utvecklat en teknik som mäter en lasers kraft, eller trycket som utövas på en spegel av en ström av fotoner. Resultatet, mätt i antingen milligram (massa) eller mikronewton (kraft), är spårbar till SI-basenheten kilogram och kan användas för att beräkna optisk effekt. Tillvägagångssättet är särskilt användbart för högeffektlasrar som används inom tillverkning och militären eftersom det är enklare, snabbare, billigare och mer bärbara än konventionella metoder.

Den nya NIST-studien fastställde giltigheten av mass/kraft-metoden genom att finna stark överensstämmelse mellan dess resultat och de för den konventionella metoden. Men NIST -förslaget erbjuder också flera betydande fördelar:en bärbar primärstandard i form av en referensmassa, och potentialen för förbättrad precision.

Beräkningar av massa kräver kunskap om exakt hur mycket gravitationen accelererar föremål på en viss höjd och plats. Kraftberäkningar gör inte, gör det enklare som primär standard.

Den nya definitionen kan vara:

• En watt optisk effekt är det som, vid normal reflektion från en perfekt spegel, producerar en kraft vars storlek (i newton) är lika med 2 dividerat med ljusets hastighet; eller
• En newton av kraft är den som produceras när en optisk effekt (i watt) av en storlek som är lika med ljusets hastighet dividerat med 2 reflekteras normalt från en perfekt reflekterande spegel.

NIST-teamet planerar att presentera sina hittillsvarande resultat och förslag vid en kommande konferens och fortsätta forskningen.

"Vi bedriver forskning för att möjliggöra stråltrycksmetoden för att göra den mest exakta mätningen av laserkraft i världen, " NIST-fysikern Paul Williams sa.