Ändringar i definitioner av SI-basenheter (2019)

Under 2019 trädde ändringar i definitionerna av grundenheterna i International System of Units (SI) i kraft , bestående av att de grundläggande SI-enheterna började definieras genom fasta värden av fundamentala fysiska konstanter . Samtidigt förblev värdena för alla enheter oförändrade, men bindningen till materiella standarder försvann äntligen från deras definitioner. Sådana förändringar har föreslagits under lång tid, men först i början av 2000-talet blev detta möjligt. Det slutliga beslutet om ändringarna togs av XXVI:s generalkonferens om vikter och mått 2018.

Ändringarnas innehåll

Det internationella enhetssystemet , SI, inkluderar 7 grundläggande måttenheter:  sekund , meter , kilogram , ampere , kelvin , mol , candela , såväl som ett antal av deras härledda enheter [1] .

Före förändringarna definierades kilogram som massan av en specifik standard - den internationella prototypen av kilogram. Denna definition har vissa nackdelar. Andra grundläggande enheter var inte bundna till specifika artefakter, men vissa definitioner visade sig också vara obekväma (och dessutom förlitade de sig på definitioner av kilogram) [2] .

Ändringarna gäller hela SI. De påverkar direkt definitionerna av kilogram, ampere, kelvin och mol: nu definieras dessa enheter genom fasta värden på den elementära elektriska laddningen och konstanterna för Planck , Boltzmann och Avogadro [3] .

Kontinuiteten för SI observeras: som ett resultat av förändringar har värdet på alla måttenheter inte ändrats; det numeriska värdet av mätresultaten, uttryckta i gamla enheter, förändrades således inte heller (förutom vissa elektriska storheter, som kommer att diskuteras nedan). Vissa kvantiteter som tidigare bestämdes exakt har dock blivit experimentellt bestämda [4] .

Ny definition av SI

The International System of Units, SI, är ett system av enheter där [5] :

• frekvensen för den hyperfina splittringen av grundtillståndet för cesium-133- atomen Δ ν Cs är exakt 9 192 631 770 Hz ;
• ljusets hastighet i vakuum c är exakt 299 792 458 m/s ;
• Plancks konstant ℎ är exakt lika med 6,626 070 15⋅10 −34 kg m 2 s −1 ;
• den elementära elektriska laddningen e är exakt lika med 1,602 176 634⋅10 −19  A s;
• Boltzmann-konstanten k är exakt 1,380 649⋅10 −23 J/K;
• Avogadros konstant N A är exakt 6,022 140 76⋅10 23 mol −1 ;
• ljuseffektiviteten K cd för monokromatisk strålning med en frekvens på 540⋅10 12  Hz är exakt 683 lm/W.

Det är möjligt att ge denna definition formen av en uppsättning definitioner av grundläggande enheter [1] . Denna uppsättning definitioner ges i artikeln Basic SI Units § Basic Units .

Inverkan av ändringar på basenheter

Andra och meter

Definitionerna av sekunden och metern har inte ändrats i innehåll, men de har omformulerats för att överensstämma med definitionernas stilistiska enhet [3] .

Kilogram

Värdet på ett kilogram ställs in genom att fixera det numeriska värdet av Plancks konstant ℎ i enheter av kg m 2 s −1 (med hänsyn till de fastställda värdena för sekunden och metern) [3] [7] .

Tidigare definierades kilogram som massan av den internationella prototypen av kilogram. Som ett resultat av förändringar i vikten av alla kilogramstandarder som går tillbaka till den internationella prototypen av kilogram, har ytterligare ett fel på 10 μg förvärvats, eftersom själva prototypens massa nu är 1 kg med exakt detta fel [8] . Även om den internationella prototypen av kilogram inte längre fungerar som standard för kilogram som en SI-enhet, förvaras den fortfarande hos International Bureau of Weights and Measures, skyddad så mycket som möjligt från yttre påverkan [9] .

Ampere

Värdet på amperen ställs in genom att fixera det numeriska värdet av den elementära elektriska laddningen e i enheter av A⋅s. Dessutom har de fasta värdena för Josephson-konstanten K J-90 och von Klitzing-konstanten R K-90 [3] som tidigare rekommenderats för implementering av volt och ohm annullerats .

De uppmätta värdena och skalorna för spänningar och resistanser har förändrats med en bråkdel av storleksordningen 10 −7 respektive 10 −8 , men detta beror inte på en förändring i definitionerna av grundenheterna, utan på faktum att tidigare fasta värden för Josephson-konstanter och von Klitzing inte överensstämmer med resten av SI [10] .

Kelvin

Värdet på kelvin sätts genom att fixera det numeriska värdet av Boltzmann-konstanten k i enheter av kg m 2 ·s −2 ·K −1 . Samtidigt, genom de definierande konstanterna, uttrycks kelvinen som ℎ Δ ν Cs / k med en viss dimensionslös faktor, det vill säga dess värde är faktiskt inte relaterat till ljusets hastighet och mätarens storlek, trots faktum att enheten för k , uttryckt genom basenheter, inkluderar mätaren [3] [6] [7] .

Mullvad

Värdet på mullvad ställs in genom att fixera det numeriska värdet på Avogadro-konstanten N A [3] .

Candela

Definitionen av candela har inte ändrats i sak, förutom det faktum att den är förknippad med andra enheter, och deras definitioner har ändrats [3] [7] .

Bakgrund, förberedelse och acceptans

Det internationella enhetssystemet, SI, antogs 1960 och kompletterades och justerades av Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) under efterföljande år. I mer än 50 år har SI behållit definitionen av kilogram, som har varit i kraft sedan 1889: 1 kilogram är massan av den internationella prototypen av kilogram M IPK (på 1800-talet definierades dessutom kilogramet också genom en materiell standard). Detta skapade svårigheter: både själva prototypen och dess kopior ändrar massa med tiden på grund av föroreningar och slitage; det är möjligt att entydigt fastställa förändringsriktningen endast för kopior i förhållande till prototypen; samtidigt, för att minimera förändringar i prototypens massa, utfördes dess jämförelse med kopior extremt sällan, och i intervallen mellan jämförelser ackumulerades fel på grund av förändringar i massan av kopior - och eftersom det inte fanns något annat sätt för att reproducera kilogram fick alla användare av kilogramstandarden (nationella metrologiska organisationer) kilogramvärdet med dessa misstag. Förslag om att ändra definitionen av kilogram genom att fastställa värdet på någon naturlig konstant, precis som det gjordes med mätaren, lät länge och regelbundet, men först i början av 2000-talet blev noggrannheten i experimenten tillräcklig att förverkliga denna idé [11] .

Gemenskaper av metrologispecialister inom olika vetenskaps- och teknikområden stödde också idén om förändringar. Den praktiska implementeringen av enheterna för spänning och motstånd förlitade sig inte på definitionen av ampere, utan på fasta värden för Josephson- och von Klitzing-konstanter ; att överge dessa fasta värden samtidigt som e och ℎ fixeras skulle göra enheterna för elektricitet och magnetism överensstämmande med resten av SI. Temperaturenheten bestämdes genom att fixera temperaturen på vattnets trippelpunkt T TPW , men denna temperatur beror på den isotopiska sammansättningen av vatten och föroreningar i det, och dessutom är en sådan definition dåligt lämpad för mycket låga och mycket höga temperaturer - att omdefiniera kelvinen genom att fixa k löste dessa problem. Slutligen, eftersom begreppet mängd materia inte är relaterat till massan av partiklar, föreslogs det samtidigt att ändra definitionen av mullvad, frikoppla den från massan av en kolatom-12 m ( 12 C) och knyta den till ett fast värde på N A [12] .

Man skulle också kunna bli av med bindningen av enhetssystemet till en specifik elektronisk övergång i en specifik atom som förekommer i definitionen av en sekund, fixera en annan fundamental konstant istället för den - till exempel gravitationskonstanten , som man gör, till exempel i Planck-systemet av enheter . Däremot är osäkerheten för gravitationskonstantens uppmätta värde för stor för detta [13] .

Ändringarna, såsom de antogs, går tillbaka till 2006 års förslag [4] . Grundprinciperna för reformen och kraven på noggrannheten i mätningar av värdena för fysiska konstanter som är nödvändiga för reformen antogs vid de allmänna konferenserna om vikter och mått 2011 och 2014 [14] .

Som en del av förberedelserna av förändringarna 2014 gjordes en extraordinär jämförelse av massan av den internationella prototypen av kilogram med dess kopior. Olika vetenskapliga grupper runt om i världen har tagit mätningar av fundamentala konstanter för att reducera felet till den nivå som krävs. CODATA Working Group on Fundamental Constants samlade in dessa data i den extraordinära utgåvan av 2017 års konstantvärdesuppsättning, och baserat på dessa värden valdes fasta värden för den nya SI [15] .

Beslutet om förändringar i SI och de specifika värdena för de fysiska konstanterna fattades slutligen den 16 november 2018, när deltagarna i XXVI:s allmänna konferens om vikter och mått enhälligt röstade för dem [14] . De nya SI-definitionerna trädde i kraft den 20 maj 2019, på metrologidagen [16] .

För var och en av grundenheterna i det nya SI definieras rekommenderade metoder för den praktiska implementeringen av enheterna. Så för ett kilogram är dessa Kibble-vågar och röntgenanalys av kristalldensiteten (XRCD) [17] .

Den uppdaterade SI tillåter ytterligare ändringar. Framsteg inom området för att mäta frekvenserna för elektromagnetiska vågor och designa atomklockor gör att vi kan förvänta oss att inom ungefär ett decennium kommer den andra att omdefinieras genom frekvensen av någon annan elektronisk övergång [18] .

Nackdelar

Eftersom atommassaenheten fortfarande definieras i termer av massan av kol-12-atomen är den inte längre lika med exakt 1 gram dividerat med Avogadros tal. Vissa författare kritiserar den nya SI och påpekar att fixering av atommassenheten istället för Planck-konstanten skulle lösa detta problem, och de argument som ledde till valet av Planck-konstanten på 2000-talet var inte längre giltiga på 2010 -talet [19] .

Den elektriska konstanten och magnetkonstanten i SI före förändringarna hade exakta värden: m/ H och H/m. Efter reformen började dessa jämlikheter observeras inte helt exakt, utan upp till nio signifikanta siffror, som fick samma relativa fel som finstrukturkonstanten . Särskilt av detta följer att koefficienterna för omvandling mellan SI-enheter och olika varianter av CGS- systemet har upphört att vara exakta, fasta värden, eftersom de uttrycks i termer av magnetkonstanten. Detta kunde ha undvikits om inte den elementära avgiften var fast , utan det tidigare värdet av den magnetiska konstanten eller, vilket är likvärdigt för fast och Planck -avgiften . Detta alternativ avvisades dock, eftersom den tidigare implementeringen av standarderna för kvantiteter relaterade till elektricitet och magnetism baserades på Josephsons och von Klitzings fasta konstanter, vilket motsvarar att fixera Planck-konstanten och den elementära laddningen, så övergången till det nya systemet visade sig vara lättare när man fixade elementärladdningen [20] .

Anteckningar

1. ↑ 1 2 SI-broschyr, 2019 , sid. 18-23, 130-135.
2. ↑ Stock et al, 2019 , s. 3-4.
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 SI-broschyr, 2019 , sid. 92-94, 197-199.
4. ↑ 1 2 Stock et al, 2019 , sid. 2.
5. ↑ SI-broschyr, 2019 , sid. 15-16, 127-128.
6. ↑ 1 2 3 Richard S. Davis. Hur man definierar enheterna för den reviderade SI med början från sju konstanter med fasta numeriska värden // Journal of Research från National Institute of Standards and Technology. - 2018. - Vol. 123. - P. 123021. - doi : 10.6028/jres.123.021 .
7. ↑ 1 2 3 4 Richard Davis. En introduktion till det reviderade internationella enhetssystemet (SI) // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2019. - Vol. 22, nr. 3. - S. 4-8. - doi : 10.1109/MIM.2019.8716268 .
8. ↑ Anmärkning om inverkan av omdefinieringen av kilogram på BIPM-masskalibreringsosäkerheter . BIPM . Hämtad 9 juni 2019. Arkiverad från originalet 27 maj 2019. (obestämd)
9. ↑ Vanliga frågor om revideringen av SI som trädde i kraft den 20 maj 2019 . BIPM . Hämtad 12 oktober 2021. Arkiverad från originalet 12 oktober 2021. (obestämd)
10. ↑ CCEM:s riktlinjer för implementering av den "reviderade SI" . BIPM . Hämtad 9 juni 2019. Arkiverad från originalet 5 oktober 2018. (obestämd)
11. ↑ Stock et al, 2019 , s. 1-2.
12. ↑ Stock et al, 2019 , s. 2-3.
13. ↑ C. Rothleitner och S. Schlamminger. Inbjuden recensionsartikel: Mätningar av den Newtonska gravitationskonstanten, G // Review of Scientific Instruments. - 2017. - Vol. 88. - P. 111101. - doi : 10.1063/1.4994619 .
14. ↑ 1 2 Resolution 1 av den 26:e CGPM (2018) . BIPM . Hämtad 12 oktober 2021. Arkiverad från originalet 26 augusti 2021. (obestämd)
15. ↑ Stock et al, 2019 , s. 3-10.
16. ↑ Det internationella enhetssystemet gör mätningar i grunden bättre . BIPM . Hämtad 12 oktober 2021. Arkiverad från originalet 4 juli 2021. (obestämd)
17. ↑ Praktiska förverkliganden av definitionerna av några viktiga enheter . BIPM . Hämtad 10 juni 2019. Arkiverad från originalet 09 april 2020. (obestämd)
18. ↑ Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias och Lennart Robertsson. CIPM-listan över rekommenderade frekvensstandardvärden: riktlinjer och procedurer // Metrologia. - 2018. - Vol. 55. - S. 188. - doi : 10.1088/1681-7575/aaa302 .
19. ↑ Bronnikov K. A., Ivashchuk V. D., Kalinin M. I., Melnikov V. N., Chrusjtjov V. V. Om valet av fasta grundkonstanter för nya definitioner av SI-enheter // Izmeritelnaya Tekhnika. - 2016. - Nr 8. - S. 11-15.
20. ↑ Ronald B. Goldfarb. Vakuumets permeabilitet och det reviderade internationella systemet för enheter // IEEE Magnetics Letters. — Vol. 8. - doi : 10.1109/LMAG.2017.2777782 .

Litteratur

• Le Système international d'unités (SI) / Det internationella enhetssystemet (SI)  : [ fr. , engelska ]. - 9:e uppl. - BIPM, 2019. - ISBN 978-92-822-2272-0 .