Modificări ale definițiilor unităților de bază SI (2019)

În 2019, au intrat în vigoare modificări ale definițiilor unităților de bază ale Sistemului Internațional de Unități (SI) , constând în faptul că unitățile de bază SI au început să fie definite prin valori fixe ale constantelor fizice fundamentale . În același timp, valorile tuturor unităților au rămas neschimbate, cu toate acestea, legarea la standardele materiale a dispărut în cele din urmă din definițiile lor. Astfel de schimbări au fost propuse de multă vreme, dar abia la începutul secolului al XXI-lea acest lucru a devenit posibil. Decizia finală cu privire la modificări a fost luată de Conferința Generală a XXVI-a asupra Greutăților și Măsurilor din 2018.

Conținutul modificărilor

Sistemul Internațional de Unități , SI, include 7 unități de măsură de bază:  secundă , metru , kilogram , amper , kelvin , mol , candela , precum și un număr de unități derivate ale acestora [1] .

Înainte de modificări, kilogramul era definit ca masa unui standard specific - prototipul internațional al kilogramului. Această definiție are unele dezavantaje. Alte unități de bază nu au fost legate de artefacte specifice, dar unele definiții s-au dovedit a fi, de asemenea, incomode (și, în plus, ele înșiși s-au bazat pe definițiile kilogramului) [2] .

Modificările se aplică întregului SI. Ele afectează direct definițiile kilogramului, amperului, kelvinului și molului: acum aceste unități sunt definite prin valori fixe ale sarcinii electrice elementare și constantele lui Planck , Boltzmann și Avogadro [3] .

Se observă continuitatea SI: ca urmare a modificărilor, valoarea tuturor unităților de măsură nu s-a schimbat; valoarea numerică a rezultatelor măsurătorilor, exprimată în unități vechi, nu s-a modificat astfel (cu excepția unor mărimi electrice, care vor fi discutate mai jos). Cu toate acestea, unele cantități care au fost determinate anterior exact au devenit determinate experimental [4] .

Noua definiție a SI

Sistemul internațional de unități, SI, este un sistem de unități în care [5] :

• frecvența divizării hiperfine a stării fundamentale a atomului de cesiu-133 Δ ν Cs este exact 9 192 631 770 Hz ;
• viteza luminii în vid c este exact 299.792.458 m/s ;
• Constanta lui Planck ℎ este exact egală cu 6,626 070 15⋅10 −34 kg m 2 s −1 ;
• sarcina electrică elementară e este exact egală cu 1,602 176 634⋅10 −19  A s;
• constanta Boltzmann k este exact 1,380 649⋅10 −23 J/K;
• Constanta lui Avogadro N A este exact 6,022 140 76⋅10 23 mol −1 ;
• randamentul luminos K cd al radiatiei monocromatice cu o frecventa de 540⋅10 12  Hz este exact 683 lm/W.

Este posibil să se dea acestei definiții forma unui set de definiții ale unităților de bază [1] . Acest set de definiții este dat în articolul Unități SI de bază § Unități de bază .

Impactul modificărilor asupra unităților de bază

A doua și metru

Definițiile secundei și metrului nu s-au schimbat în conținut, totuși au fost reformulate pentru a se conforma unității stilistice a definițiilor [3] .

Kilogram

Valoarea unui kilogram se stabilește prin fixarea valorii numerice a constantei lui Planck ℎ în unități de kg m 2 s −1 (ținând cont de valorile stabilite ale secundei și metrului) [3] [7] .

Anterior, kilogramul era definit ca fiind masa prototipului internațional al kilogramului. Ca urmare a modificărilor masei tuturor standardelor de kilogram care datează de la prototipul internațional al kilogramului, a fost obținută o eroare suplimentară de 10 μg, deoarece masa prototipului în sine este acum de 1 kg cu exact această eroare [8] . Deși prototipul internațional al kilogramului nu mai servește ca etalon al kilogramului ca unitate SI, el se păstrează totuși la Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri, ferit pe cât posibil de influențele externe [9] .

Amperi

Valoarea amperului se stabilește prin fixarea valorii numerice a sarcinii electrice elementare e în unități de A⋅s. În plus, valorile fixe ale constantei Josephson K J-90 și constantei von Klitzing R K-90 [3] recomandate anterior pentru implementarea volți și ohmi au fost anulate .

Valorile măsurate și scalele tensiunilor și rezistențelor s-au modificat cu o fracțiune de ordinul 10 −7 și respectiv 10 −8 , cu toate acestea, acest lucru nu se datorează unei modificări a definițiilor unităților de bază, ci faptul că valorile fixate anterior ale constantelor Josephson și von Klitzing, nu sunt în concordanță cu restul SI [10] .

Kelvin

Valoarea lui kelvin se stabilește prin fixarea valorii numerice a constantei Boltzmann k în unități de kg m 2 ·s −2 ·K −1 . În același timp, prin constantele definitorii, kelvinul este exprimat ca ℎ Δ ν Cs / k cu un anumit factor adimensional, adică valoarea sa nu este de fapt legată de viteza luminii și de dimensiunea contorului, în ciuda faptul că unitatea pentru k , exprimată prin unități de bază, include metrul [3] [6] [7] .

Mole

Valoarea molei se stabilește prin fixarea valorii numerice a constantei Avogadro N A [3] .

Candela

Definiția candelei nu s-a schimbat în substanță, cu excepția faptului că este asociată cu alte unități, iar definițiile acestora s-au schimbat [3] [7] .

Context, pregătire și acceptare

Sistemul Internațional de Unități, SI, a fost adoptat în 1960 și a fost completat și ajustat de Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) în anii următori. De mai bine de 50 de ani, SI a păstrat definiția kilogramului, care este în vigoare din 1889: 1 kilogram este masa prototipului internațional al kilogramului M IPK (mai mult, în secolul al XIX-lea, kilogramul era și el definit printr-un standard material). Acest lucru a creat dificultăți: atât prototipul în sine, cât și copiile sale își schimbă masa în timp din cauza poluării și uzurii; este posibil să se stabilească fără ambiguitate direcția schimbării numai pentru copiile raportate la prototip; în același timp, pentru a minimiza modificările masei prototipului, compararea acestuia cu copii a fost efectuată extrem de rar, iar în intervalele dintre comparații, erorile s-au acumulat datorită modificărilor maselor de copii - și din moment ce nu a existat altă cale. pentru a reproduce kilogramul, toți utilizatorii standardului de kilogram (organizațiile naționale de metrologie) au primit valoarea kilogramului cu aceste greșeli. Propunerile de modificare a definiției kilogramului prin fixarea valorii unei constante naturale, așa cum s-a făcut cu contorul, au sunat mult timp și în mod regulat, dar abia la începutul secolului al XXI-lea precizia experimentelor a devenit suficientă. pentru a realiza această idee [11] .

Comunitățile de specialiști în metrologie din diverse domenii ale științei și tehnologiei au susținut și ideea schimbărilor. Implementarea practică a unităților de tensiune și rezistență nu s-a bazat pe definiția amperului, ci pe valorile fixe ale constantelor Josephson și von Klitzing ; abandonarea acestor valori fixe în timp ce fixarea e și ℎ ar face ca unitățile de electricitate și magnetism să fie conforme cu restul SI. Unitatea de temperatură a fost determinată prin fixarea temperaturii punctului triplu al apei T TPW , cu toate acestea, această temperatură depinde de compoziția izotopică a apei și a impurităților din ea și, în plus, o astfel de definiție nu este potrivită pentru temperaturi foarte scăzute și foarte ridicate. - redefinirea kelvinului prin fixarea k a rezolvat aceste probleme. În cele din urmă, deoarece conceptul de cantitate de materie nu are legătură cu masa particulelor, s-a propus în același timp modificarea definiției molei, decuplând-o de masa unui atom de carbon-12 m ( 12 C) și legându-l de o valoare fixă ​​a lui N A [12] .

De asemenea, s-ar putea scăpa de legarea sistemului de unități de o anumită tranziție electronică într-un anumit atom care apare în definiția unei secunde, fixând o altă constantă fundamentală în locul acesteia - de exemplu, constanta gravitațională , așa cum se face, de exemplu, în sistemul Planck de unități . Totuși, incertitudinea valorii măsurate a constantei gravitaționale este prea mare pentru aceasta [13] .

Modificările, așa cum au fost adoptate, datează de la propunerea din 2006 [4] . Principiile de bază ale reformei și cerințele privind acuratețea măsurătorilor valorilor constantelor fizice necesare reformei au fost adoptate la Conferințele Generale de Greutăți și Măsuri din 2011 și 2014 [14] .

Ca parte a pregătirii modificărilor din 2014, a fost făcută o comparație extraordinară a masei prototipului internațional al kilogramului cu copiile sale. Diverse grupuri științifice din întreaga lume au efectuat măsurători ale constantelor fundamentale pentru a reduce eroarea la nivelul necesar. Grupul de lucru CODATA privind constantele fundamentale a colectat aceste date în lansarea extraordinară a setului de valori constante din 2017, iar pe baza acestor valori au fost selectate valori fixe pentru noul SI [15] .

Decizia asupra modificărilor SI și a valorilor specifice constantelor fizice a fost luată în cele din urmă pe 16 noiembrie 2018, când le-au votat în unanimitate participanții la XXVI-a Conferință Generală a Greutăților și Măsurilor [14] . Noile definiții SI au intrat în vigoare la 20 mai 2019, în ziua metrologiei [16] .

Pentru fiecare dintre unitățile de bază din noul SI sunt definite metode recomandate pentru implementarea practică a unităților. Deci, pentru un kilogram, acestea sunt cântare Kibble și analiza cu raze X a densității cristalelor (XRCD) [17] .

SI actualizat permite modificări ulterioare. În special, progresul în domeniul măsurării frecvențelor undelor electromagnetice și al proiectării ceasurilor atomice ne permite să ne așteptăm ca în aproximativ un deceniu al doilea va fi redefinit prin frecvența unei alte tranziții electronice [18] .

Dezavantaje

Deoarece unitatea de masă atomică este încă definită în termeni de masa atomului de carbon-12, aceasta nu mai este egală cu exact 1 gram împărțit la numărul lui Avogadro. Unii autori critică noul SI, subliniind că fixarea unității de masă atomică în locul constantei Planck ar rezolva această problemă, iar argumentele care au condus la alegerea constantei Planck în anii 2000 nu mai erau valabile până în anii 2010 [19] .

Constanta electrică și constanta magnetică din SI înainte de modificări aveau valori exacte: m/ H și H/m. După reformă, aceste egalități au început să fie respectate nu în mod absolut, ci până la nouă cifre semnificative, dobândind aceeași eroare relativă ca și constanta structurii fine . Din aceasta, în special, rezultă că coeficienții de conversie între unitățile SI și diferitele variante ale sistemului CGS au încetat să mai fie valori exacte, fixe, deoarece sunt exprimați în termeni de constantă magnetică. Acest lucru ar fi putut fi evitat dacă nu ar fi fost fixată sarcina elementară , ci valoarea anterioară a constantei magnetice sau, ceea ce este echivalent pentru încărcătura fixă ​​și , sarcina Planck . Cu toate acestea, această opțiune a fost respinsă, deoarece implementarea anterioară a standardelor de cantități legate de electricitate și magnetism s-a bazat pe constantele fixe ale lui Josephson și von Klitzing, ceea ce este echivalent cu fixarea constantei Planck și a sarcinii elementare, deci trecerea la noul sistem s-a dovedit a fi mai ușor la fixarea sarcinii elementare [ 20] .

Note

1. ↑ 1 2 Broșura SI, 2019 , p. 18-23, 130-135.
2. ↑ Stock și colab., 2019 , pp. 3-4.
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Broșura SI, 2019 , p. 92-94, 197-199.
4. ↑ 1 2 Stock și colab., 2019 , p. 2.
5. ↑ Broșura SI, 2019 , p. 15-16, 127-128.
6. ↑ 1 2 3 Richard S. Davis. Cum se definesc unitățile SI revizuite pornind de la șapte constante cu valori numerice fixe // Jurnalul de cercetare al Institutului Național de Standarde și Tehnologie. - 2018. - Vol. 123. - P. 123021. - doi : 10.6028/jres.123.021 .
7. ↑ 1 2 3 4 Richard Davis. O introducere în sistemul internațional de unități (SI) revizuit // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2019. - Vol. 22, nr. 3. - P. 4-8. - doi : 10.1109/MIM.2019.8716268 .
8. ↑ Notă privind impactul redefinirii kilogramului asupra incertitudinilor de calibrare a masei BIPM . BIPM . Preluat la 9 iunie 2019. Arhivat din original la 27 mai 2019. (nedefinit)
9. ↑ Întrebări frecvente despre revizuirea SI care a intrat în vigoare la 20 mai 2019 . BIPM . Preluat la 12 octombrie 2021. Arhivat din original la 12 octombrie 2021. (nedefinit)
10. ↑ Ghid CCEM pentru Implementarea „SI revizuit” . BIPM . Preluat la 9 iunie 2019. Arhivat din original la 5 octombrie 2018. (nedefinit)
11. ↑ Stock și colab., 2019 , pp. 1-2.
12. ↑ Stock și colab., 2019 , pp. 2-3.
13. ↑ C. Rothleitner și S. Schlamminger. Articol de revizuire invitată: Măsurări ale constantei newtoniene de gravitație, G // Revizuirea instrumentelor științifice. - 2017. - Vol. 88. - P. 111101. - doi : 10.1063/1.4994619 .
14. ↑ 1 2 Rezoluția 1 a celei de-a 26-a CGPM (2018) . BIPM . Preluat la 12 octombrie 2021. Arhivat din original la 26 august 2021. (nedefinit)
15. ↑ Stock și colab., 2019 , pp. 3-10.
16. ↑ Sistemul Internaţional de Unităţi - fac măsurători fundamental mai bune . BIPM . Preluat la 12 octombrie 2021. Arhivat din original la 4 iulie 2021. (nedefinit)
17. ↑ Realizări practice ale definiţiilor unor unităţi importante . BIPM . Preluat la 10 iunie 2019. Arhivat din original la 09 aprilie 2020. (nedefinit)
18. ↑ Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias și Lennart Robertsson. Lista CIPM a valorilor standard de frecvență recomandate: linii directoare și proceduri // Metrologia. - 2018. - Vol. 55. - P. 188. - doi : 10.1088/1681-7575/aaa302 .
19. ↑ Bronnikov K. A., Ivashchuk V. D., Kalinin M. I., Melnikov V. N., Hrușciov V. V. Despre alegerea constantelor fundamentale fixe pentru noile definiții ale unităților SI // Izmeritelnaya Tekhnika. - 2016. - Nr 8. - S. 11-15.
20. ↑ Ronald B. Goldfarb. Permeabilitatea vidului și sistemul internațional de unități revizuit // IEEE Magnetics Letters. — Vol. 8. - doi : 10.1109/LMAG.2017.2777782 .

Literatură

• Le Système international d'unités (SI) / The International System of Units (SI)  : [ fr. , engleză ]. - Ed. a 9-a. - BIPM, 2019. - ISBN 978-92-822-2272-0 .