2019 новое определение базовых единиц СИ

В 2019 году четыре из семи базовых единиц СИ , указанных в Международной системе величин, были переопределены с точки зрения естественных физических констант, а не человеческих артефактов, таких как стандартный килограмм . ^[1]^[2] Начиная с 20 мая 2019 года, в 144-ю годовщину Метрической конвенции , килограмм , ампер , кельвин и моль теперь определяются путем установки точных числовых значений, выраженных в единицах СИ, для постоянной Планка ( $h$ ). , элементарный электрический заряд ( $e$ ), постоянная Больцмана ( $k B$ ) и постоянная Авогадро ( $NA)$ соответственно. Секунда , метр и кандела ранее были переопределены с использованием физических констант . Четыре новых определения были направлены на улучшение системы СИ без изменения значения каких-либо единиц, обеспечивая преемственность существующих измерений. ^[3]^[4] В ноябре 2018 года 26-я Генеральная конференция мер и весов (CGPM) единогласно одобрила эти изменения, ^[5]^[6] которые Международный комитет мер и весов (CIPM) предложил ранее в том же году после определения что ранее согласованные условия изменения были выполнены. ^[7]^{: 23} Эти условия были удовлетворены серией экспериментов, в которых константы измерялись с высокой точностью по сравнению со старыми определениями СИ, и стали кульминацией десятилетий исследований.

Предыдущее серьезное изменение метрической системы произошло в 1960 году, когда была официально опубликована Международная система единиц (СИ). В это время метр был переопределен: определение было изменено с прототипа метра на определенное количество длин волн спектральной линии излучения криптона-86 , что сделало его выводным из универсальных природных явлений. ^{[Примечание 1]} Килограмм остался определяемым физическим прототипом, оставив его единственным артефактом, от которого зависят определения единиц СИ. В это время СИ, как целостная система , была построена на основе семи базовых единиц , силы которых использовались для построения всех остальных единиц. После переопределения 2019 года СИ построена на основе семи определяющих констант , что позволяет строить все единицы непосредственно на основе этих констант. Обозначение основных единиц сохраняется, но больше не является необходимым для определения единиц СИ. ^[4]

Метрическая система изначально задумывалась как система измерения, выводимая из неизменных явлений, ^[8] но практические ограничения вызвали необходимость использования артефактов – прототипа метра и прототипа килограмма – когда метрическая система была введена во Франции в 1799 г. Хотя он был разработан с расчетом на долговременную стабильность, массы килограмма-прототипа и его вторичных копий со временем претерпели небольшие изменения относительно друг друга; Считается, что они не соответствуют растущей точности, требуемой наукой, что побуждает искать подходящую замену. Определения некоторых единиц были определены измерениями, которые трудно точно реализовать в лаборатории, например, кельвин , который определялся в терминах тройной точки воды . После пересмотра определения в 2019 году система СИ стала полностью выводиться из природных явлений, при этом большинство единиц основано на фундаментальных физических константах .

Ряд авторов опубликовали критику пересмотренных определений; их критика включает в себя предпосылку о том, что это предложение не устранило последствия разрыва связи между определением дальтона [ ^{Примечание 2]} и определениями килограмма, моля и постоянной Авогадро .

Фон

Базовая структура СИ разрабатывалась в течение примерно 170 лет, между 1791 и 1960 годами. С 1960 года технологические достижения позволили устранить недостатки СИ, такие как зависимость от физического артефакта для определения килограмма.

Развитие СИ

В первые годы Французской революции лидеры Французского национального учредительного собрания решили ввести новую систему измерения, основанную на принципах логики и природных явлений. Метр определялся как одна десятимиллионная расстояния от северного полюса до экватора, а килограмм — как масса одной тысячной кубического метра чистой воды. Хотя эти определения были выбраны для того, чтобы избежать права собственности на единицы, их нельзя было измерить с достаточным удобством или точностью, чтобы их можно было использовать на практике. Вместо этого были созданы реализации в форме метра архивов и килограмма архивов , которые были «лучшей попыткой» реализовать эти принципы. ^[9]

К 1875 году использование метрической системы получило широкое распространение в Европе и Латинской Америке ; В том же году двадцать промышленно развитых стран встретились для подписания Конвенции о метре , что привело к подписанию Договора о метре , в соответствии с которым были созданы три органа для хранения международных прототипов килограмма и метра, а также для регламентировать сравнения с национальными прототипами. ^[10]^[11] Это были:

CGPM (Генеральная конференция по мерам и весам, Генеральная конференция мер и весов ) – Конференция собирается каждые четыре-шесть лет и состоит из делегатов стран, подписавших конвенцию. В нем обсуждаются и исследуются меры, необходимые для обеспечения распространения и совершенствования Международной системы единиц, а также одобряются результаты новых фундаментальных метрологических определений.
CIPM (Международный комитет мер и весов, Международный комитет мер и весов ) – Комитет состоит из восемнадцати выдающихся ученых, каждый из разных стран, номинированных CGPM. CIPM собирается ежегодно, и ему поручено консультировать CGPM. CIPM создал ряд подкомитетов, каждый из которых занимается определенной областью интересов. Один из них, Консультативный комитет по единицам измерения (CCU), консультирует CIPM по вопросам, касающимся единиц измерения. ^[12]
МБМВ (Международное бюро мер и весов, Международное бюро мер и весов ) – Бюро обеспечивает безопасное хранение международных прототипов килограмма и метра, предоставляет лабораторное оборудование для регулярных сравнений национальных прототипов с международными прототипами и секретариат CIPM и CGPM.

1-я ГКМВ (1889 г.) официально одобрила использование 40 прототипов метров и 40 прототипов килограммов, изготовленных британской фирмой Johnson Matthey, в качестве стандартов, предусмотренных Конвенцией о метрах. ^[13] Прототипы «Счетчик № 6» и «Килограмм КIII» были обозначены как международные прототипы метра и килограмма соответственно; Остальные копии CGPM сохранила в качестве рабочих копий, а остальные были розданы государствам-членам для использования в качестве национальных прототипов. Примерно раз в 40 лет национальные прототипы сравнивались с международными прототипами и калибровались по ним. ^[14]

В 1921 году Конвенция о метрах была пересмотрена, а полномочия ГКМВ были расширены и теперь предусматривают стандарты для всех единиц измерения, а не только для массы и длины. В последующие годы CGPM взяла на себя ответственность за предоставление стандартов электрического тока (1946 г.), светимости (1946 г.), температуры (1948 г.), времени (1956 г.) и молярной массы (1971 г.). ^[15] 9-я ГКМВ в 1948 году поручила CIPM «дать рекомендации по единой практической системе единиц измерения, подходящей для принятия всеми странами, присоединившимися к Метрической конвенции». ^[16] Рекомендации, основанные на этом мандате, были представлены 11-й ГКМВ (1960 г.), где они были официально приняты и получили название « Международная система объединений » и ее аббревиатуру «SI». ^[17]

Импульс к переменам

Существует прецедент изменения основополагающих принципов определения базовых единиц СИ; 11-я ГКМВ (1960 г.) определила метр СИ в терминах длины волны излучения криптона-86 , заменив полоску метра до СИ, а 13-я ГКМВ (1967 г.) заменила первоначальное определение секунды , которое было основано на среднем значении Земли. вращение с 1750 по 1892 год, ^[18] с определением, основанным на частоте испускаемого или поглощаемого излучения при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 . 17-я ГКМВ (1983 г.) заменила определение метра 1960 года определением, основанным на секунде, дав точное определение скорости света в метрах в секунду . ^[19]

С момента их изготовления сносы доВ национальном прототипе килограмма по отношению к международному прототипу килограмма (ИПК) обнаружено 2 × 10 ^{-8 килограммов (20 мкг) в год.}Не было возможности определить, набирают ли национальные прототипы массу или ИПК теряет массу. ^{[21] Метролог} из Университета Ньюкасла Питер Кампсон с тех пор идентифицировал поглощение паров ртути или углеродистое загрязнение как возможные причины этого дрейфа. ^[22]^[23] На 21-м заседании ГКМВ (1999 г.) национальным лабораториям было предложено изучить способы разрыва связи между килограммом и конкретным артефактом.

Метрологи исследовали несколько альтернативных подходов к новому определению килограмма, основанных на фундаментальных физических константах. Среди прочего, проект Авогадро и разработка весов Киббла (известных до 2016 года как «весы ватт») обещали методы косвенного измерения массы с очень высокой точностью. Эти проекты предоставили инструменты, которые позволяют альтернативные способы дать новое определение килограмму. ^[24]

В отчете, опубликованном в 2007 году Консультативным комитетом по термометрии (CCT) для CIPM, отмечалось, что их нынешнее определение температуры оказалось неудовлетворительным для температур ниже20 К и для температур выше1300 К. Комитет пришел к выводу, что постоянная Больцмана обеспечивает лучшую основу для измерения температуры, чем тройная точка воды, поскольку она позволяет преодолеть эти трудности. ^[25]

На своем 23-м заседании (2007 г.) CGPM поручила CIPM исследовать использование естественных констант в качестве основы для всех единиц измерения, а не артефактов, которые тогда использовались. В следующем году это было одобрено Международным союзом теоретической и прикладной физики (IUPAP). ^[26] На заседании CCU, состоявшемся в Рединге, Великобритания , в сентябре 2010 г., была согласована резолюция ^[27] и проект изменений к брошюре SI, которые должны были быть представлены на следующем заседании CIPM в октябре 2010 г. в принципе. ^[28] Заседание CIPM в октябре 2010 года установило, что «условия, установленные Генеральной конференцией на ее 23-м заседании, еще не полностью выполнены. ^{[Примечание 4]} По этой причине CIPM не предлагает пересмотр SI в настоящее время. ". ^[30] Тем не менее, CIPM представил на рассмотрение 24-й ГКМВ (17–21 октября 2011 г.) резолюцию о согласии с новыми определениями в принципе, но не о реализации их до тех пор, пока не будут окончательно согласованы детали. ^[31] Эта резолюция была принята конференцией, ^[32] и, кроме того, ГКМВ перенесла дату 25-го заседания с 2015 на 2014 год. ^[33]^[34] На 25-м заседании 18-20 ноября 2014 года она Было обнаружено, что «несмотря на [прогресс в выработке необходимых требований] данные еще не кажутся достаточно надежными для того, чтобы ГКМВ приняла пересмотренный SI на своем 25-м заседании», ^[35], таким образом, пересмотр был отложен до следующего заседания в 2018 году. Измерения, достаточно точные, чтобы соответствовать условиям, были доступны в 2017 г., и новое определение ^[36] было принято на 26-й ГКМВ (13–16 ноября 2018 г.).

Определение констант

После успешного переопределения метра в 1983 году с точки зрения точного числового значения скорости света Консультативный комитет BIPM по единицам (CCU) рекомендовал, а BIPM предложил определить еще четыре константы природы, чтобы они имели точные значения. Это: ^{[Примечание 5]}

Постоянная Планка h $равна$ точно6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ джоуль-секунда (Дж⋅с) .
Элементарный заряд $e$ равен в точности1,602 176 634 × 10 ^-19 кулонов (Кл) .
Постоянная Больцмана k $в$ точности равна1,380 649 × 10 ⁻²³ джоуля на кельвин (Дж⋅К ⁻¹ ) .
Постоянная Авогадро NA $в$ точности $равна$ 6,022 140 76 × 10 ²³ обратный моль (моль ^-1 ) .

Переопределение сохраняет неизменными числовые значения, связанные со следующими константами природы:

Скорость света $c$ в точности равна299 792 458 метров в секунду (м⋅с ⁻¹ ) ;
Частота перехода основного состояния в сверхтонкую структуру атома цезия-133 $Δ ν Cs$ равна точно9 192 631 770 Гц (Гц) ;
Световая отдача монохроматического излучения частоты540 × 10 ¹² Гц (540 ТГц ) — частота зеленого света, примерно равная пиковой чувствительности человеческого глаза — $K cd$ (где нижний индекс «cd» означает канделу) точно равна683 люмен на ватт (лм⋅Вт ^-1 ) .

Семь определяющих констант СИ , приведенных выше, выраженные в производных единицах ( джоуль , кулон , герц , люмен и ватт ), переписаны ниже в терминах семи основных единиц (секунда, метр, килограмм, ампер, кельвин, моль и кандела); ^[4] также используется безразмерная единица стерадиан (обозначение ср ) :

$Δ ν Cs$ = $Δ ν (133 Cs) hfs$ =9 192 631 770 с ⁻¹
$с$ =299 792 458 м⋅с ⁻¹
$ч$ =6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ кг⋅м ² ⋅с ⁻¹
$е$ =1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ А⋅с
$к$ =1,380 649 × 10 ⁻²³ кг⋅м ² ⋅К ⁻¹ ⋅с ⁻²
$Н А$ =6,022 140 76 × 10 ²³ моль ^-1
$К кд$ =683 кд⋅ср⋅с ³ ⋅кг ⁻¹ ⋅м ⁻²

В рамках переопределения Международный прототип килограмма был отменен, а определения килограмма, ампера и кельвина были заменены. Определение родинки было пересмотрено. Эти изменения приводят к переопределению базовых единиц СИ, хотя определения производных единиц СИ в терминах базовых единиц остаются прежними.

Влияние на определения базовой единицы

В соответствии с предложением CCU тексты определений всех базовых единиц были либо уточнены, либо переписаны, при этом акцент был изменен с явных определений единиц на явные определения типов констант. ^[38] Определения явных типов единиц определяют единицу в терминах конкретного примера этой единицы; например, в 1324 году Эдуард II определил дюйм как длину трех ячменных зерен ^[39] , а с 1889 по 2019 год килограмм определялся как масса международного прототипа килограмма. В явно-константных определениях константе природы придается заданное значение, и как следствие возникает определение единицы; например, в 2019 году скорость света определялась как именно299 792 458 метров в секунду. Длину метра можно было определить, поскольку второй уже был определен независимо. Предыдущие определения ^[19] и 2019 ^[4]^[37] приведены ниже.

Второй

Новое определение второго фактически такое же, как и предыдущее, с той лишь разницей, что условия, при которых применяется это определение, определены более строго.

Предыдущее определение: Второе – это продолжительность9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Определение 2019 года: второй символ s — это единица времени в системе СИ. Оно определяется путем принятия фиксированного численного значения частоты цезия $Δ ν Cs$ , частоты невозмущенного сверхтонкого перехода в основное состояние атома цезия-133, ^{[примечание 6]} как9 192 631 770 , если выразить в единицах Гц , что равно с- ¹ .

Второе можно выразить непосредственно через определяющие константы:

1 с =

.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num,.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0 0.1em}.mw-parser-output .sfrac .den{border-top:1px solid}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}9 192 631 770/Δ ν Cs

Метр

Новое определение метра по сути такое же, как и предыдущее, с той лишь разницей, что дополнительная строгость определения второго распространилась и на метр.

Предыдущее определение: Метр — это длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени1/299 792 458секунды.
Определение 2019 года: метр, символ м, является единицей длины в системе СИ. Это определяется путем принятия фиксированного числового значения скорости света в вакууме $c$ как299 792 458 , если выразить в единицах м⋅с ^-1 , где секунда определяется через частоту цезия $Δ ν Cs$ .

Счетчик может быть выражен непосредственно через определяющие константы:

1 м =

9192631770 / 299792458 с / Δ ν Cs

Килограмм

Определение килограмма фундаментально изменилось: от артефакта ( Международного прототипа килограмма ) до константы природы. ^{[41] Новое}определение связывает килограмм с массовым эквивалентом энергии фотона на определенной частоте .

Предыдущее определение: Килограмм — единица массы; она равна массе международного прототипа килограмма.
Определение 2019 года: Килограмм, обозначение кг, является единицей массы в системе СИ. Он определяется путем принятия фиксированного численного значения постоянной Планка $h$ как6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ , если выразить это в единице Дж⋅с, которая равна кг⋅м ² ⋅с ⁻¹ , где метр и секунда определяются через $c$ и $Δ ν Cs$ .

Для иллюстрации ранее предложенное переопределение, эквивалентное этому определению 2019 года, звучит так: «Килограм — это масса покоящегося тела, эквивалентная энергия которого равна энергии набора фотонов, сумма частот которых равна [1,356 392 489 652 × 10 ⁵⁰ ] герц». ^[42]

Килограмм можно выразить непосредственно через определяющие константы:

1 кг =

(299792458) 2 / (6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770) h Δ ν Cs / с 2

Ведущий к

1 Дж⋅с =

час / 6,626 07015 \times 10 -34

1 Дж =

h Δ ν Cs / (6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770)

1 Вт =

час (Δ ν Cs) 2 / (6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770) 2

1 Н =

299792458 / (6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770) 2 час (Δ ν Cs) 2 / с

Ампер

Определение ампера подверглось серьезному пересмотру. Предыдущее определение, которое трудно реализовать с высокой точностью на практике, было заменено определением, которое легче реализовать.

Предыдущее определение: Ампер — это такой постоянный ток , который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины с пренебрежимо малым круглым поперечным сечением и помещенных на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, создаст между этими проводниками силу, равную2 × 10 ⁻⁷ ньютон на метр длины.
Определение 2019 года: Ампер, символ A, является единицей электрического тока в системе СИ. Он определяется путем принятия фиксированного численного значения элементарного заряда $e$ как1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ , если выразить это в единице C , равной A⋅s, где секунда определяется через $Δ ν Cs$ .

Ампер можно выразить непосредственно через определяющие константы следующим образом:

1 А =

е Δ ν Cs / (1,602 176634 \times 10 -19)(9192631770)

Для иллюстрации это эквивалентно определению одного кулона как точного кратного элементарного заряда.

1 С =

е / 1,602 176634 \times 10 -19

Поскольку предыдущее определение содержит ссылку на силу , которая имеет размеры MLT ^-2 , отсюда следует, что в предыдущей системе СИ килограмм, метр и секунда – базовые единицы, представляющие эти измерения – должны были быть определены до того, как можно было определить ампер. . Другими последствиями предыдущего определения было то, что в СИ значение вакуумной проницаемости ( $μ 0$ ) фиксировалось точно на уровне4 π × 10 ^-7 Ч⋅м ^-1 . ^[43] Поскольку скорость света в вакууме ( $c$ ) также фиксирована, это следовало из соотношения

c^{2}={\frac {1}{\mu _{0}\varepsilon _{0}}}

диэлектрическая проницаемость вакуума

ε 0

Z_{0}={\sqrt {\frac {\mu _{0}}{\varepsilon _{0}}}},

импеданс свободного пространства

Z 0

^[44]

Следствием пересмотренного определения является то, что ампер больше не зависит от определений килограмма и метра; однако это все еще зависит от определения второго. Кроме того, численные значения вакуумной проницаемости, вакуумной диэлектрической проницаемости и импеданса свободного пространства, выраженные в единицах СИ, которые были точными до переопределения, после переопределения могут быть экспериментальными ошибками. ^[45] Например, численное значение вакуумной проницаемости имеет относительную неопределенность, равную неопределенности экспериментального значения постоянной тонкой структуры . ^[46] Значение CODATA 2018 для относительной стандартной неопределенности составляет $\альфа$ $\альфа$ 1,5 × 10 ^-10 . ^[47]^{[Примечание 7]}

Определение ампера приводит к точным значениям для

1 В =

1,602 176634 \times 10 -19 / (6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770) h Δ ν Cs / е

1 Вб =

1,602 176634 \times 10 -19 / 6,626 07015 \times 10 -34 час / е

1 Ом =

(1,602 176634 \times 10 -19) 2 / 6,626 07015 \times 10 -34 час / е 2

Кельвин

Определение кельвина претерпело фундаментальные изменения. Вместо использования тройной точки воды для фиксации температурной шкалы в новом определении используется энергетический эквивалент, заданный уравнением Больцмана .

Предыдущее определение: Кельвин, единица термодинамической температуры ,1/273,16термодинамической температуры тройной точки воды.
Определение 2019 года: Кельвин, символ К, является единицей термодинамической температуры в системе СИ. Он определяется путем принятия фиксированного численного значения постоянной Больцмана $k$ в качестве1,380 649 × 10 ⁻²³ , если выразить это в единицах Дж⋅К ⁻¹ , которые равны кг⋅м ² ⋅с ⁻² ⋅К ⁻¹ , где килограмм, метр и секунда определяются через $h$ , $c$ и $Δ ν Cs$ .

Кельвин может быть выражен непосредственно через определяющие константы следующим образом:

1 К =

1,380 649 \times 10 -23 / (6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770) h Δ ν Cs / к

Крот

Предыдущее определение моля связывало его с килограммом. Пересмотренное определение разрывает эту связь, превращая родинку в определенное количество сущностей рассматриваемого вещества.

Предыдущее определение: Моль — это количество вещества в системе, содержащей столько же элементарных частиц, сколько атомов содержится в 0,012 килограмма углерода-12 . Когда используется моль, необходимо указать элементарные объекты, которыми могут быть атомы, молекулы , ионы , электроны , другие частицы или определенные группы таких частиц.
Определение на 2019 год: ^[7]^{: 22} Моль, символ моль, — это единица количества вещества в системе СИ. В одной родинке содержится ровно6,022 140 76 × 10 ²³ элементарных объектов. Это число представляет собой фиксированное числовое значение константы Авогадро $NA$ , $выраженное$ в единицах моль ^-1 , и называется числом Авогадро. ^[7]^[48] Количество вещества, символ $n$ , системы является мерой количества указанных элементарных сущностей. Элементарной сущностью может быть атом, молекула, ион, электрон, любая другая частица или определенная группа частиц.

Моль может быть выражен непосредственно через определяющие константы как:

1 моль =

6,022 14076 \times 1023 / Н А

Одним из последствий этого изменения является то, что ранее определенное соотношение между массой атома ¹² C, дальтоном , килограммом и константой Авогадро больше не действует. Что-то из следующего пришлось изменить:

Масса атома ¹² С равна ровно 12 дальтон.
Число дальтонов в грамме в точности соответствует численному значению константы Авогадро: (т. е. 1 г/Да = 1 моль ⋅ $N A$ ).

Формулировка 9-й брошюры SI ^[4]^{[Примечание 8]} подразумевает, что первое утверждение остается в силе, а это означает, что второе больше не соответствует действительности. Константа молярной массы , при этом еще с большой точностью оставаясь1 г/моль уже не совсем равен этому. В приложении 2 к 9-й брошюре СИ указано, что «молярная масса углерода 12, М ( ¹² С), равна0,012 кг⋅моль ^-1 в пределах относительной стандартной неопределенности, равной рекомендуемому значению $N A h$ на момент принятия настоящей Резолюции, а именно4,5 × 10-10 , и что ^в будущем его значение будет определено экспериментально», ^[49]^[50] , в котором нет ссылки на дальтон и согласуется с обоими утверждениями.

Кандела

Новое определение канделы фактически такое же, как и предыдущее определение, поскольку оно зависит от других базовых единиц, в результате чего новое определение килограмма и дополнительная строгость в определениях секунды и метра распространяются на канделу.

Предыдущее определение: Кандела — это сила света в заданном направлении источника, излучающего монохроматическое излучение частоты540 × 10 ¹² Гц и имеет силу излучения в этом направлении.1/683ватт на стерадиан .
Определение на 2019 год: Кандела, символ кд, — это единица силы света в определенном направлении в системе СИ. Он определяется путем принятия фиксированного численного значения светоотдачи монохроматического излучения частоты540 × 10 ¹² Гц , $K cd$ , равняется 683 в единицах lm⋅W ⁻¹ , что равно cd⋅sr⋅W ⁻¹ , или cd⋅sr⋅kg ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅s ³ , где килограмм, метр и секунда определяются через $h$ , $c$ и $Δ ν Cs$ .

1 компакт-диск =

1 / 683(6,626 07015 \times 10 -34)(9192631770) 2 K cd h (Δ ν Cs) 2

Влияние на воспроизводимость

Все семь базовых единиц СИ определяются в терминах определенных констант ^{[примечание 9]} и универсальных физических констант. ^{[Примечание 10]}^[51] Для определения семи основных единиц необходимы семь констант, но между каждой конкретной базовой единицей и конкретной константой нет прямого соответствия; за исключением секунды и моля, более одной из семи констант способствуют определению любой данной базовой единицы.

Когда новая СИ была впервые разработана, дизайнеры могли выбирать из более шести подходящих физических констант. Например, как только будут установлены длина и время, универсальную гравитационную постоянную G можно будет, с точки зрения измерений, использовать для определения массы. ^{[Примечание 11]} На практике G можно измерить только с относительной неопределенностью порядка 10 ⁻⁵ , ^{[Примечание 12]} что привело бы к тому, что верхний предел воспроизводимости килограмма составил бы около 10 ⁻⁵ , тогда как текущие на тот момент значения международный прототип килограмма может быть измерен с воспроизводимостью 1,2× ^10-8 . ^[45] Физические константы были выбраны на основе минимальной неопределенности, связанной с измерением константы, и степени независимости константы по отношению к другим константам, которые использовались. Хотя МБМВ разработал стандартную практическую методику (практический метод) ^[52] для каждого типа измерений, практическая методика , используемая для проведения измерения, не является частью определения измерения – это просто гарантия того, что измерение может быть проведено. выполнено без превышения установленной максимальной неопределенности.

Принятие

Большая часть работы, выполняемой CIPM, делегируется консультативным комитетам. Консультативный комитет CIPM по единицам (CCU) внес предложенные изменения, в то время как другие комитеты подробно изучили это предложение и дали рекомендации относительно его принятия CGPM в 2014 году. Консультативные комитеты установили ряд критериев, которые должны быть соблюдены. прежде чем они поддержат предложение КТС, в том числе:

Для переопределения килограмма необходимо как минимум три отдельных эксперимента, дающих значения постоянной Планка, имеющие относительную расширенную (95%) неопределенность не более5 × 10 ⁻⁸ , и хотя бы одно из этих значений должно быть лучше, чем2 × 10 ⁻⁸ . И баланс Киббла , и проект Авогадро должны быть включены в эксперименты, и любые различия между ними должны быть согласованы. ^[53]^[54]
Для переопределения кельвина относительная неопределенность постоянной Больцмана, полученной с помощью двух принципиально разных методов, таких как акустическая газовая термометрия и газовая термометрия с диэлектрической проницаемостью, должна быть лучше 10 ^-6 , и эти значения должны быть подтверждены другими измерениями. ^[55]

По состоянию на март 2011 года Международная координационная группа Авогадро (IAC) получила неопределенность в размере3,0 × 10 ^-8 и NIST получили неопределенность3,6 × 10 ⁻⁸ по их измерениям. ^[24] 1 сентября 2012 года Европейская ассоциация национальных метрологических институтов (EURAMET) запустила официальный проект по уменьшению относительной разницы между весами Киббла и подходом кремниевой сферы к измерению килограмма от(17 ± 5) × 10 ⁻⁸ с точностью до2 × 10 ⁻⁸ . ^[56] По состоянию на март 2013 года ^{[обновлять]}предложенное переопределение известно как «Новый SI» ^[3], но Мор в статье, следующей за предложением CGPM, но предшествовавшей официальному предложению CCU, предположил, что, поскольку предлагаемая система использует явления атомного масштаба а не макроскопические явления, ее следует называть «Квантовой системой СИ». ^[57]

Согласно рекомендованным CODATA значениям фундаментальных физических констант 2014 года, опубликованным в 2016 году с использованием данных, собранных до конца 2014 года, все измерения соответствовали требованиям CGPM, и теперь можно приступить к переопределению и следующему раз в четыре года совещанию CGPM в конце 2018 года. ^[58]^[59]

20 октября 2017 года 106-е заседание Международного комитета мер и весов (CIPM) официально приняло пересмотренный проект резолюции A, призывающий к новому определению SI, для голосования на 26-м заседании CGPM, ^[7]^{: 17– 23} В тот же день, в ответ на одобрение CIPM окончательных значений, ^[7]^{: 22} Целевая группа CODATA по фундаментальным константам опубликовала рекомендованные в 2017 году значения для четырех констант с неопределенностью и предложенные числовые значения для переопределения без неопределенности. ^[37] Голосование, состоявшееся 16 ноября 2018 г. на 26-м заседании ВКПМ, было единогласным; все присутствовавшие национальные представители проголосовали за пересмотренное предложение.

Новые определения вступили в силу 20 мая 2019 года. ^[60]

Обеспокоенность

В 2010 году Маркус Фостер из Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) опубликовал широкую критику SI; он поднял множество вопросов, начиная от базовых проблем, таких как отсутствие символа « Ом » (Омега, для ома ) на клавиатурах большинства западных компьютеров, до абстрактных проблем, таких как неадекватный формализм в метрологических концепциях, на которых основана СИ. Изменения, предложенные в новой системе СИ, касались только проблем с определением основных единиц, включая новые определения канделы и моля - единицы, которые, как утверждал Фостер, не являются истинными базовыми единицами. Другие вопросы, поднятые Фостером, выходят за рамки предложения. ^[61]

Определения явных единиц и явных констант

Были высказаны опасения, что использование явных констант определяемой единицы, не связанных с примером ее количества, будет иметь множество неблагоприятных последствий. ^[62] Хотя эта критика применима к связи килограмма с постоянной Планка $h$ путем, требующим знания как специальной теории относительности, так и квантовой механики, ^[63] она не применима к определению ампера, которое более близко к примеру его количества, чем в предыдущем определении. ^[64] Некоторые наблюдатели приветствовали изменение, согласно которому определение электрического тока основывается на заряде электрона, а не на предыдущем определении силы между двумя параллельными проводами, несущими ток; поскольку природа электромагнитного взаимодействия между двумя телами на уровне квантовой электродинамики несколько иная , чем на классических электродинамических уровнях , считается неуместным использовать классическую электродинамику для определения величин, существующих на квантовых электродинамических уровнях. ^[45]

Масса и постоянная Авогадро

Когда в 2005 году было сообщено о масштабе расхождения между ИПК и национальными прототипами килограмма, начались дебаты о том, следует ли определять килограмм через массу атома кремния -28 или с помощью весов Киббла . Массу атома кремния можно определить с помощью проекта Авогадро , а с помощью постоянной Авогадро ее можно напрямую связать с килограммом. ^[65] Также были высказаны опасения, что авторы предложения не смогли устранить последствия разрыва связи между молем, килограммом, дальтоном и $постоянной$ Авогадро ( $NA ).$ ^{[Примечание 13]} Эта прямая связь заставила многих утверждать, что родинка не является настоящей физической единицей, а, по мнению шведского философа Йоханссона, «коэффициентом масштабирования». ^[61]^[66]

В 8-м издании брошюры SI дальтон определялся как масса атома ¹² С. ^[67] Оно определяло константу Авогадро через эту массу и килограмм, что позволило определить ее экспериментальным путем. Новое определение фиксирует константу Авогадро, а в 9-й брошюре СИ ^[4] сохраняется определение дальтона в единицах ¹² С, в результате чего связь между дальтоном и килограммом будет нарушена. ^[68]^[69]

В 1993 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) одобрил использование дальтона в качестве альтернативы единой единице атомной массы с оговоркой, что CGPM не дал своего одобрения. ^[70] Это одобрение с тех пор было дано. ^[71] Следуя предложению переопределить моль путем фиксации значения постоянной Авогадро, Брайан Леонард из Университета $Акрона$ в статье в Metrologia предложил переопределить дальтон (Да) так, чтобы $NA$ = (г/Да) моль ^-1 , но единая атомная единица массы ( $m u$ ) сохраняет свое нынешнее определение, основанное на массе 12 C , перестав точно равняться дальтону. Это приведет к тому, что дальтон и атомная единица массы потенциально будут отличаться друг от друга с относительной неопределенностью порядка 10 ^-10 . ^[72] Однако в 9-й брошюре SI как дальтон (Да), так и единая атомная единица массы (u) определяются как точно1/12массы свободного атома углерода-12, а не по отношению к килограмму ^[4] , в результате чего приведенное выше уравнение будет неточным.

Температура

Различные диапазоны температур требуют разных методов измерения. Комнатную температуру можно измерить посредством расширения и сжатия жидкости в термометре, но высокие температуры часто связаны с цветом излучения черного тела . Войцех Т. Хила, подходя к структуре СИ с философской точки зрения в Журнале Польского физического общества , утверждал, что температура не является реальной базовой единицей, а представляет собой среднее значение тепловых энергий отдельных частиц, составляющих тело. обеспокоенный. ^[45] Он отметил, что во многих теоретических работах температура представлена величинами $Θ$ или $β$ , где

\Theta =kT;\quad \beta = {\frac {1}{kT}}

—

термодинамики^[45]

Консультативный комитет по термометрии , входящий в состав Международного комитета мер и весов , публикует mise en pratique (практический метод), последний раз обновленный в 1990 году, для измерения температуры. При очень низких и очень высоких температурах энергия часто связывается с температурой через постоянную Больцмана. ^[73]^[74]

Интенсивность света

Фостер утверждал, что «сила света [кандела] - это не физическая величина , а фотобиологическая величина, существующая в человеческом восприятии», задаваясь вопросом, должна ли кандела быть базовой единицей. ^[61] До принятия в 1979 году решения об определении фотометрических единиц в терминах светового потока (мощности), а не силы света стандартных источников света, уже существовало сомнение в том, должна ли существовать отдельная базовая единица для фотометрии. Более того, было единогласно решено, что просвет теперь более важен, чем кандела. Однако ради преемственности кандела осталась в качестве базовой единицы. ^[75]

Смотрите также

Международная система единиц - Современная форма метрической системы.
Международный словарь метрологии – комитет под председательством директора МБМВ.
Физическая константа – универсальная и неизменная физическая величина.
Базовая единица СИ — одна из семи единиц измерения, определяющих метрическую систему.
Определения базовых единиц СИ за 2005–2019 гг.
Единицы, не входящие в систему СИ, упомянутые в СИ - Единицы, принятые для использования в Международной системе единиц - изменения, связанные с переопределением в 2019 году.

Примечания

^ В 1983 году определение метра было снова пересмотрено, зафиксировав значение скорости света в вакууме. Это определение не изменилось в 2019 году и остается в силе сегодня.
^ Дальтон не определен в официальном предложении, по которому будет голосовать CGPM, только в 9-м издании брошюры SI .
^ На прототипе № 8(41) случайно был проштампован номер 41, но на его аксессуарах указан правильный номер 8. Поскольку прототипа с пометкой 8 не существует, этот прототип обозначается как 8(41).
^ В частности, CIPM должен был подготовить подробное практическое руководство для каждого из новых определений килограмма, ампера, кельвина и моля, установленных 23-й ГКМВ . ^[29]
^ Эти константы описаны в версии руководства SI 2006 года, но в этой версии последние три определены как «константы, полученные экспериментальным путем», а не как «определяющие константы».
^ Хотя используемая здесь фраза более краткая, чем в предыдущем определении, она имеет то же значение. Это поясняется в 9-й брошюре SI, которая почти сразу после определения на стр. 130 гласит: «Следствием этого определения является то, что секунда равна продолжительности9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями невозмущенного основного состояния атома ¹³³ Cs».
^ Следует добавить примечание к определению единицы магнитного поля (тесла). Когда ампер определялся как ток, который течет по двум длинным параллельным проводам, разделенным1 м вызывает силу2 × 10 ⁻⁷ Н/м друг на друга, существовало и другое определение: магнитное поле в месте расположения каждого из проводов в этой конфигурации определялось как2 × 10 ⁻⁷ Тл . А именно1 Тл — напряженность магнитного поля B, вызывающего силу1 Н/м на проводе с током1 А. Номер2 × 10 ⁻⁷ также записывалось как µ ₀ /2 π . Именно это произвольное определение сделало µ ₀ равным ровно 4 π × 10⁻⁷ Гн/м. Соответственно, магнитное поле вблизи провода, по которому течет ток, определяется выражением B = µ ₀I /2 πr . Теперь, с новым определением ампера, затрагивается и определение тесла. Точнее, сохраняется определение, основанное на силе магнитного поля, действующей на провод, по которому течет ток ( F = I ⋅ B ⋅ l ), хотя, как упоминалось выше, µ ₀ уже не может быть точно 4 π × 10⁻⁷ Гн/м и подлежит измерению экспериментально. Соответствующим образом изменяется изначение диэлектрической проницаемости вакуума ε ₀ = 1/( µ ₀c ² ) . Уравнения Максвелла «позаботятся о том», чтобы электростатическая сила между двумя точечными зарядами составляла F = 1/(4 πε ₀ )( q ₁q ₂ )/ r ² .
^ В сноске к Таблице 8, посвященной единицам измерения, отличным от системы СИ, говорится: «Дальтон (Да) и единая атомная единица массы (u) являются альтернативными названиями (и символами) одной и той же единицы, равной 1/12 массы свободный атом углерода 12 в покое и в основном состоянии».
^ Хотя три величины: температура, сила света и количество вещества могут рассматриваться с фундаментальной физической точки зрения как производные величины, они являются перцепционно независимыми величинами и имеют определенные константы преобразования, которые связывают исторически определенные единицы с базовой физикой.
^ Определение канделы нетипично для базовых единиц; Для перевода физических измерений спектральной интенсивности в единицы канделы также требуется модель реакции человеческого глаза на разные длины волн света, известная как функция светимости и обозначаемая V ( λ ), функция, определенная Международной комиссией по освещению. (ЦИЭ).
^ Размеры G составляют L ³ M ⁻¹ T ⁻² , поэтому, как только будут установлены стандарты длины и времени, теоретически массу можно будет вывести из G . Когда установлены фундаментальные константы как отношения между этими тремя единицами, единицы можно вывести из комбинации этих констант; например, как линейная комбинация планковских единиц .
^
Следующие термины определены в Международном словаре по метрологии – Основные и общие понятия и связанные с ними термины. Архивировано 17 марта 2017 г. в Wayback Machine :
- воспроизводимость измерений – определение 2.25
- стандартная неопределенность измерения – определение 2.30
- относительная стандартная неопределенность измерения – определение 2.32
^ Две величины константы Авогадро $NA$ и числа Авогадро $NN$ численно идентичны, но хотя $NA$ $имеет единицу$ $моль$ -1 ^, NN $является чистым$ числом.

дальнейшее чтение

Международная система единиц (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, 2019 г., ISBN 978-92-822-2272-0
Международное бюро мер и весов (BIPM) (10 августа 2017 г.). «Входные данные для специальной корректировки CODATA-2017». Метрология (Обновленная ред.) . Проверено 14 августа 2017 г.

Внешние ссылки

Веб-сайт BIPM, посвященный новому SI, включая страницу часто задаваемых вопросов.
Поворотный момент для человечества: новое определение мировой системы измерений от NIST
Измерение массы: последний артефакт - BBC Four