Změny v definicích základních jednotek SI (2019)

V roce 2019 vstoupily v platnost změny v definicích základních jednotek Mezinárodní soustavy jednotek (SI) , spočívající v tom, že základní jednotky SI začaly být definovány prostřednictvím pevných hodnot základních fyzikálních konstant . Hodnoty všech jednotek přitom zůstaly nezměněny, nicméně vazba na materiálové normy z jejich definic nakonec zmizela. Takové změny byly navrhovány již dlouhou dobu, ale teprve na začátku 21. století to bylo možné. Konečné rozhodnutí o změnách přijala XXVI. Generální konference pro váhy a míry v roce 2018.

Obsah změn

Mezinárodní soustava jednotek SI zahrnuje 7 základních měrných jednotek:  sekundu , metr , kilogram , ampér , kelvin , krtek , kandela , jakož i řadu z nich odvozených jednotek [1] .

Před změnami byl kilogram definován jako hmotnost jednoho specifického standardu - mezinárodního prototypu kilogramu. Tato definice má některé nevýhody. Ostatní základní jednotky nebyly vázány na konkrétní artefakty, ale některé definice se také ukázaly jako nepohodlné (a navíc se sami opírali o definice kilogramu) [2] .

Změny se týkají celého SI. Přímo ovlivňují definice kilogramu, ampéru, kelvinu a molu: nyní jsou tyto jednotky definovány prostřednictvím pevných hodnot elementárního elektrického náboje a konstant Planck , Boltzmann a Avogadro [3] .

Je dodržena spojitost SI: v důsledku změn se nezměnila hodnota všech jednotek měření; číselná hodnota výsledků měření vyjádřená ve starých jednotkách se tak také nezměnila (až na některé elektrické veličiny, o kterých bude řeč níže). Některé veličiny, které byly dříve přesně určeny, se však staly experimentálně zjištěnými [4] .

Nová definice SI

Mezinárodní systém jednotek, SI, je systém jednotek, ve kterém [5] :

Této definici je možné dát podobu souboru definic základních jednotek [1] . Tento soubor definic je uveden v článku Základní jednotky SI § Základní jednotky .

Dopad změn na základní jednotky

Sekunda a metr

Definice sekundy a metrum se obsahově nezměnily, byly však přeformulovány tak, aby odpovídaly stylistické jednotě definic [3] .

Kilogram

Hodnota kilogramu se nastavuje zafixováním číselné hodnoty Planckovy konstanty ℎ v jednotkách kg m 2 s −1 (s přihlédnutím ke stanoveným hodnotám sekundy a metru) [3] [7] .

Dříve byl kilogram definován jako hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu. V důsledku změn hmotnosti všech kilogramových norem pocházejících z mezinárodního prototypu kilogramu byla zjištěna další chyba 10 μg, protože hmotnost samotného prototypu je nyní 1 kg s přesně touto chybou [8] . I když mezinárodní prototyp kilogramu již neslouží jako etalon kilogramu jako jednotky SI, je stále uchováván u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry, maximálně chráněný před vnějšími vlivy [9] .

Ampere

Hodnota ampéru se nastavuje stanovením číselné hodnoty elementárního elektrického náboje e v jednotkách A⋅s. Kromě toho byly zrušeny pevné hodnoty Josephsonovy konstanty K J-90 a von Klitzingovy konstanty R K-90 [3] , které byly dříve doporučeny pro implementaci voltů a ohmů .

Naměřené hodnoty a stupnice napětí a odporů se změnily o zlomek v řádu 10 −7 , respektive 10 −8 , není to však způsobeno změnou definic základních jednotek, ale skutečnost, že dříve pevné hodnoty Josephsonových konstant a von Klitzinga nebyly konzistentní se zbytkem SI [10] .

Kelvin

Hodnota kelvinů se nastavuje stanovením číselné hodnoty Boltzmannovy konstanty k v jednotkách kg m 2 ·s −2 ·K −1 . Současně je prostřednictvím definujících konstant kelvin vyjádřen jako ℎ Δ ν Cs / k s určitým bezrozměrným faktorem, to znamená, že jeho hodnota ve skutečnosti nesouvisí s rychlostí světla a velikostí metru, navzdory skutečnost, že jednotka pro k , vyjádřená prostřednictvím základních jednotek, zahrnuje metr [3] [6] [7] .

Krtek

Hodnota molu se nastavuje fixací číselné hodnoty Avogadro konstanty N A [3] .

Candela

Definice kandely se v podstatě nezměnila, kromě toho, že je spojena s jinými jednotkami, a změnily se jejich definice [3] [7] .

Pozadí, příprava a přijetí

Mezinárodní systém jednotek, SI, byl přijat v roce 1960 a v následujících letech byl doplněn a upraven Mezinárodním úřadem pro váhy a míry (BIPM). Více než 50 let si SI zachovává definici kilogramu, která platí od roku 1889: 1 kilogram je hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu M IPK (navíc v 19. století byl kilogram definován také prostřednictvím materiálového standardu). To způsobilo potíže: jak samotný prototyp, tak jeho kopie mění v průběhu času hmotu kvůli znečištění a opotřebení; směr změny je možné jednoznačně stanovit pouze pro kopie vzhledem k prototypu; zároveň, aby se minimalizovaly změny v hmotnosti prototypu, bylo jeho srovnání s kopiemi prováděno velmi zřídka a v intervalech mezi srovnáními se hromadily chyby v důsledku změn v množství kopií - a protože neexistoval jiný způsob pro reprodukci kilogramu obdrželi všichni uživatelé kilogramového etalonu (národní metrologické organizace) hodnotu kilogramu s těmito chybami. Návrhy na změnu definice kilogramu zafixováním hodnoty nějaké přirozené konstanty, stejně jako se to dělalo s metrem, zněly dlouho a pravidelně, ale teprve na začátku 21. století se přesnost pokusů stala dostatečnou. realizovat tuto myšlenku [11] .

Myšlenku změn podpořily i komunity metrologických specialistů v různých oblastech vědy a techniky. Praktická implementace jednotek napětí a odporu se nespoléhala na definici ampéru, ale na pevné hodnoty Josephsonovy a von Klitzingovy konstanty ; opuštění těchto pevných hodnot při stanovení e a ℎ by zajistilo, že jednotky elektřiny a magnetismu budou konzistentní se zbytkem SI. Jednotka teploty byla stanovena fixací teploty trojného bodu vody T TPW , tato teplota však závisí na izotopovém složení vody a nečistot v ní a kromě toho se taková definice špatně hodí pro velmi nízké a velmi vysoké teploty. - předefinování kelvinů pomocí fixace k tyto problémy vyřešilo. Konečně, protože pojem množství hmoty nesouvisí s hmotností částic, bylo současně navrženo změnit definici molu a oddělit jej od hmotnosti atomu uhlíku-12 m ( 12 C) a navázáním na pevnou hodnotu N A [12] .

Dalo by se také zbavit vazby systému jednotek na konkrétní elektronický přechod v konkrétním atomu, který se objevuje v definici sekundy, a místo ní fixovat jinou základní konstantu - například gravitační konstantu , jak se to dělá, například v Planckově systému jednotek . Na to je však nejistota naměřené hodnoty gravitační konstanty příliš velká [13] .

Přijaté změny pocházejí z návrhu z roku 2006 [4] . Základní principy reformy a požadavky na přesnost měření hodnot fyzikálních konstant nezbytných pro reformu byly přijaty na Generálních konferencích pro váhy a míry v letech 2011 a 2014 [14] .

V rámci přípravy změn v roce 2014 bylo provedeno mimořádné srovnání hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu s jeho kopiemi. Různé vědecké skupiny po celém světě provedly měření základních konstant, aby snížily chybu na požadovanou úroveň. CODATA Working Group on Fundamental Constants shromáždila tato data v mimořádném vydání sady konstantních hodnot z roku 2017 a na základě těchto hodnot byly vybrány pevné hodnoty pro nový SI [15] .

Rozhodnutí o změnách SI a konkrétních hodnotách fyzikálních konstant padlo definitivně 16. listopadu 2018, kdy pro ně jednomyslně hlasovali účastníci XXVI. Generální konference pro váhy a míry [14] . Nové definice SI vstoupily v platnost 20. května 2019, v den metrologie [16] .

Pro každou ze základních jednotek v novém SI jsou definovány doporučené metody pro praktickou realizaci jednotek. Takže pro kilogram jsou to Kibbleovy váhy a rentgenová analýza hustoty krystalů (XRCD) [17] .

Aktualizovaný SI umožňuje další změny. Zejména pokrok v oblasti měření frekvencí elektromagnetických vln a navrhování atomových hodin nám umožňuje očekávat, že zhruba za deset let dojde k předefinování druhého prostřednictvím frekvence nějakého jiného elektronického přechodu [18] .

Nevýhody

Vzhledem k tomu, že jednotka atomové hmotnosti je stále definována v podmínkách hmotnosti atomu uhlíku-12, již se nerovná přesně 1 gramu děleno Avogadrovým číslem. Někteří autoři kritizují nový SI a poukazují na to, že stanovení jednotky atomové hmotnosti místo Planckovy konstanty by tento problém vyřešilo, a argumenty, které vedly k volbě Planckovy konstanty v roce 2000, již nebyly v roce 2010 platné [19]. .

Elektrická konstanta a magnetická konstanta v SI před změnami měly přesné hodnoty: m/ H a H/m. Po reformě se tyto rovnosti začaly dodržovat ne absolutně přesně, ale až devět platných číslic, přičemž nabyly stejné relativní chyby jako konstanta jemné struktury . Z toho zejména vyplývá, že koeficienty pro převod mezi jednotkami SI a různými variantami systému ČGS přestaly být přesnými, pevnými hodnotami, protože jsou vyjádřeny pomocí magnetické konstanty. Tomu by se dalo předejít, kdyby nebyl fixován elementární náboj , ale bývalá hodnota magnetické konstanty nebo, což je ekvivalentní pro fixní a Planckův náboj . Tato možnost však byla zamítnuta, protože předchozí implementace standardů veličin souvisejících s elektřinou a magnetismem byla založena na pevných konstantách Josephsona a von Klitzinga, což je ekvivalentní fixaci Planckovy konstanty a elementárního náboje, takže přechod na nový systém se ukázal jako jednodušší při fixaci elementárního náboje [20] .

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Brožura SI, 2019 , str. 18-23, 130-135.
  2. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 3-4.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Brožura SI, 2019 , str. 92-94, 197-199.
  4. ↑ 1 2 Stock et al, 2019 , str. 2.
  5. ↑ Brožura SI, 2019 , str. 15-16, 127-128.
  6. ↑ 1 2 3 Richard S. Davis. Jak definovat jednotky revidovaného SI počínaje sedmi konstantami s pevnými číselnými hodnotami // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. - 2018. - Sv. 123. - P. 123021. - doi : 10.6028/jres.123.021 .
  7. ↑ 1 2 3 4 Richard Davis. Úvod do revidovaného mezinárodního systému jednotek (SI) // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2019. - Sv. 22, č. 3. - S. 4-8. - doi : 10.1109/MIM.2019.8716268 .
  8. ↑ Poznámka k dopadu nové definice kilogramu na nejistoty kalibrace hmotnosti BIPM . BIPM . Získáno 9. června 2019. Archivováno z originálu dne 27. května 2019.
  9. ↑ Nejčastější dotazy týkající se revize SI, která vstoupila v platnost 20. května 2019 . BIPM . Získáno 12. října 2021. Archivováno z originálu dne 12. října 2021.
  10. ↑ Směrnice CCEM pro implementaci „revidovaného SI“ . BIPM . Získáno 9. června 2019. Archivováno z originálu 5. října 2018.
  11. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 1-2.
  12. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 2-3.
  13. ↑ C. Rothleitner a S. Schlamminger. Invited Review Article: Measurements of the Newtonian konstantní gravitace, G // Review of Scientific Instruments. - 2017. - Sv. 88. - S. 111101. - doi : 10.1063/1.4994619 .
  14. ↑ 1 2 Usnesení 1 26. CGPM (2018) . BIPM . Získáno 12. října 2021. Archivováno z originálu dne 26. srpna 2021.
  15. ↑ Stock et al, 2019 , pp. 3-10.
  16. ↑ Mezinárodní soustava jednotek – zásadně lepší měření . BIPM . Získáno 12. října 2021. Archivováno z originálu dne 4. července 2021.
  17. ↑ Praktické realizace definic některých důležitých celků . BIPM . Získáno 10. června 2019. Archivováno z originálu dne 09. dubna 2020.
  18. ↑ Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias a Lennart Robertsson. Seznam doporučených standardních hodnot frekvence CIPM: pokyny a postupy // Metrologia. - 2018. - Sv. 55. - S. 188. - doi : 10.1088/1681-7575/aaa302 .
  19. ↑ Bronnikov K. A., Ivashchuk V. D., Kalinin M. I., Melnikov V. N., Khrushchev V. V. O volbě pevných základních konstant pro nové definice jednotek SI // Izmeritelnaya Tekhnika. - 2016. - č. 8. - S. 11-15.
  20. ↑ Ronald B. Goldfarb. Permeabilita vakua a revidovaný mezinárodní systém jednotek // IEEE Magnetics Letters. — Sv. 8. - doi : 10.1109/LMAG.2017.2777782 .

Literatura

 jednotky SI
Základní jednotky
Odvozené jednotky
se zvláštními názvy
Přijato pro
použití s ​​SI
viz také