Войти
СИ система после переопределения 2019 г.: Зависимость определенных базовых единиц от физических констант с фиксированными числовыми значениями и от других базовых единиц. Стрелки показаны в противоположном направлении по сравнению с типичными графами зависимостями , то есть 
на этой диаграмме означает 
зависит от 
.
система SI после 1983 года, но до переопределения 2019 года: зависимость тип единицы Определения на других базовых единицах (например, метр определяется как расстояние, пройденное светом за определенную долю секунды ) с константами природы и артефактов, используемых для их определения (например, масса ИПК для килограмма). В 2019 году базовые единицы СИ были переопределены в соответствии с Международная система количеств, вступившая в силу в 144-ю годовщину Конвенция о счетчиках, 20 мая 2019 г. В новом определении четыре из семи основных единиц СИ - килограмм, ампер, кельвин и моль - были переопределены путем установки точных числовых значений для постоянная Планка (h), элементарного электрического заряда (e), Больцмана (kB) и постоянная Авогадро (NA) соответственно. секунда, метр и кандела уже были с помощью физических констант и не подлежали корректировке для их определения. Новые возможности преемственности с существующими измерениями. В ноябре 2018 г. 26-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) единогласно одобрила эти изменения, которые одобрил Международный комитет по мерам и весам (CIPM) ранее в том же году после определения что ранее согласованные условия для изменения были выполнены. Этим условиям удовлетворена серия экспериментов, в которых константы измеряются с высокой точностью по сравнению со старыми определениями СИ, явились кульминацией десятилетий исследований.
Предыдущее крупное изменение метрической системы произошло в 1960 году, когда было официально опубликована Международная система единиц (СИ). В это время измеритель был изменен: определение было изменено с прототипателя на определенное количество длин волн спектральной линии криптона-86 <99.>излучение, что делает его производным от универсальных явлений. Килограмм остался определенным физическим прототипом, оставив его единственным артефактом, от которого зависят определения СИ. В это время СИ как связная система была построена вокруг семи базовых единиц мощности, использовались для построения всех других единиц. С переопределением 2019 года СИ строится вокруг семи определяющих констант, что позволяет строить все единицы непосредственно из этих констант. Обозначение основных данных сохранено.
метрическая система изначально задумывалась как система измерения, которая выведена из введенных явлений, но с практическими ограничениями потребовало использования артефактов - прототипа счетчика и прототипа килограмма - когда метрическая система была введена во Франции в 1799 году. Хотя она была альтернативная для долгосрочной стабильности, прототипа килограмма и его альтернативные копии показали небольшие изменения друг с течением времени; она не считается адекватной для растущей, необходимой, требуемой наукой, что побуждает искать подходящую замену. Определения некоторых параметров были определены, которые трудно точно реализовать в лаборатории, например, кельвин, который был определен в терминах тройной точки воды. С переопределением 2019 года СИ стала полностью выводиться из природных явлений, при этом большинство основано на фундаментальных физических константах.
. Ряд авторов опубликовали критику пересмотренных определений; их критика включает функцию, что в предложении не учтены последствия разрыва связи между определением дальтон и определениями килограмма, моля и Авогадро.
Базовая структура СИ была выделена примерно за 170 лет между 1791 и 1960 годами. С 1960 года технический прогресс сделал возможным устранение слабых мест СИ, таких как зависимость от физического состояния. rtefact для определения килограмма.
В первые годы Французской революции лидерыского национального учредительного собрания сделали новую систему измерения, основанного на принципах логики и природных явлений. Метр был определен как одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора, а килограмм - как масса одной тысячной кубического метра чистой воды. Эти определения были выбраны для того, чтобы их нельзя было измерить с достаточным удобством или практическим использованием. Вместо этого были созданы механизмы реализации в форме архивов и килограммов архивов, которые были «лучшей попыткой» выполнить эти принципы.
К 1875 году использование метрической системы получило широкое распространение в Европе и Латинской Америке ; В том же году двадцатью промышленно развитыми странами встретились для Метрические конвенции, что привело к подписанию Метрической конвенции, в соответствии с прототипами механизма килограмма и метра, а также для регулирование сравнения с национальными прототипами. Это были:
Первый CGPM (1889) официально одобрил использование 40 прототипов счетчиков и 40 килограммов прототипов, изготовленных британской фирмой Johnson Matthey, в качестве стандартов предоставленных Конвенцией счетчиков. Один из них был номинирован по жребию в качестве международных прототипов, CGMP сохранил другие копии в качестве рабочих копий, а остальные были распространены среди стран-членов для использования в национальных прототипов. Примерно раз в 40 лет национального прототипа сравнивались и калибровались по сравнению с международным прототипом.
В 1921 году Конвенция о счетчике была пересмотрена, и мандат CGPM был расширен, чтобы установить стандарты для всех измерений а не только масса и длина. В последующие годы CGPM взял на себя ответственность за обеспечение стандартов электрического тока (1946), светимости (1946), температуры (1948), времени (1956) и молярной массы (1971). Девятая сессия CGPM в 1948 г. поручила CIPM «дать рекомендации по единой практической системе измерений, присоединившимися к Метрической конвенции». Рекомендации, основанные на этом мандате, были представлены на 11-м совещании CGPM (1960 г.), где они были официально приняты названием «Système International d'Unités» с сокращением «SI».
Имеется прецедент изменений принципов, лежащих в основе определения базовых единиц СИ; 11-я CGPM (1960) определила SI-метр с точки зрения длины волны излучения криптона-86, заменила шкалу измерителя до SI, а второй 13-я CGPM (1967) заменила исходное определение , который основан на среднем вращении Земли с 1750 по 1892 год, с определением, основанным на частоте испускаемого или поглощенного излучения с переходом между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия -133. 17-я сессия CGPM (1983) заменила определение измерителя 1960 года на одно, основанное на втором, указанное определение скорости света в секунду метров в секунду.
Массовый дрейф во времени национальных прототипов K21– K40, плюс две из сестринских копий международный прототипа : K32 и K8 (41). Все изменения массы к IPK. С момента их производства были обнаружены отклонения до 2 × 10 килограммов в год в национальном прототипа по сравнению с международными прототипом килограмма (IPK). Невозможно было определить, набирали ли национальные образцы массы или теряла ли IPK. Метролог из Университета Ньюкасла Питер Кампсон с тех порал ртуть поглощение паров или углеродистые загрязнение как возможные причины этого отклонения. На 21-м языке CGPM (1999 г.) национальным лабораториям было предложено изучить способы разрыва связи между килограммом и конкретным артефактом.
Метрологи исследовали несколько альтернативных подходов к переопределению килограмма на основе фундаментальных физических констант. Среди прочего, проект Авогадро и разработка весов Kibble (известные как «ваттные весы» до 2016 года) обещали методы косвенного измерения массы с очень высокой точностью. Эти проекты предоставили инструменты, которые позволяют использовать альтернативные способы переопределения килограмма.
В отчете, опубликованном в 2007 году Консультативным комитетом по термометрии (CCT) для CIPM, отмечалось, что их текущее определение температуры имеет неудовлетворительную для температур ниже 20 К и выше 1300 К. Комитет пришел к выводу, что постоянная Больцмана обеспечивает лучшую основу для измерения температуры, чем тройная точка воды, потому что она преодолела эти трудности.
На своем 23-м языке (2007 г.) CGPM поручил CIPM исследовать использование естественных констант в основе для всех измерений, а не артефактов, которые тогда использовались. В следующем году это было одобрено Международным союзом чистой и прикладной физики (IUPAP). На преобразованном CCU, состоявшемся в Рединге, Соединенное Королевство, в сентябре 2010 г., были согласованы резолюция и проект изменений в брошюре SI, которые должны быть представлены на следующем совместном CIPM в октябре 2010 г. в принципе. Заседание CIPM в октябре 2010 г. обнаружило, что «условия договора договора на ее 23-м согласны, еще не были полностью выполнены. По этой причине CIPM не предлагает в настоящее время пересмотр SI ». CIPM, однако, представил на рассмотрение 24-го заседания CGPM (17–21 октября 2011 г.) резолюцию о принципиальном согласии с новымими, но не о применении их до тех пор, пока детали не будут окончательно согласованы. Эта резолюция была принята конференцией, и, кроме того, CGPM перенесла дату 25-го заседания с 2015 на 2014 год. На 25-м протоколе 18–20 ноября 2014 года было установлено, что несмотря на [прогресс в выполнении необходимых требований] данные пока не пересмотрены достаточно надежными для того, чтобы CGPM принял пересмотренный SI на своем 25-м собрании "таким образом, Достаточно точные измерения, чтобы соответствовать условиям, доступны в 2017 году, и новое определение было принята на 26-й сессии ГКБП (13–16 ноября 2018 г.).
После успешного переопределения измерителя в 1983 году с точки зрения точного числового значения скорости света Консультативный комитет BIPM по единицам (CCU) рекомендовал и BIPM использовать определение еще четыре константы природы. Это:
Эти константы в руководстве версии SI от 2006 г., но в этой версии последние три известные как «константы, которые должны быть получены экспериментально», а не как «определение констант». константами природы:
Семь приведенных выше определений переписаны ниже с получением единицы (джоуль, кулон, герц, люмен и ватт ), выраженные в единицах семь основных единиц : секунда, метр, к илограмм, ампер, кельвин, моль и кандела, согласно 9-й брошюре СИ. В следующем списке символ sr обозначает безразмерную единицу стерадиан.
В рамках переопределения международный прототип килограмма был исключен, а определения килограмма, ампер, и кельвин были заменены. Был пересмотрено определение родинки. Эти изменения приводят к переопределению основных единиц СИ.
Следуя предложению CCU, тексты определений всех базовых единиц были либо уточнены, либо переписаны, с явной единицей определения явной константу -типы определения. Явные определения типа определяют единицу в конкретном примере этой единицы; например, в 1324 году Эдуард II определил дюйм как длина трех ячменя, а с 1889 года килограмм был определен как масса международного Прототип килограмма. В определениих явных констант природной константе присваивается заданное значение, и как следствие возникновения определения единицы; например, в 1983 году скорость света была определена как 299792458 метров в секунду. Длина метра могла быть получена, потому что второй был определен независимо. Предыдущие определения и определения 2019 года ниже.
Новое определение секунды фактически такое же, как и предыдущее, с той разницей, что условия, используемые при использовании определения, более строго..
Вторая может быть выражена непосредственно через определяющие константы:
Новое определение метр фактически то же самое, что и предыдущий, с той лишь разницей, что дополнительная строгость в определении доли на счетчик.
Счетчик может быть выражен напрямую в терминах определяющих констант:
A весы Киббла, которые использовались для измерения постоянной Планка с точки зрения международного прототип килограмма. Определение килограмма коренным образом изменилось; в предыдущем определении килограмм определялся как масса международного прототипа килограмма, который является артефактом, а не константой природы. Новое определение связывает килограмм, среди прочего, с эквивалентной массой энергии фотона с учетом его частоты через постоянную Планка.
Для иллюстрации предложенное ранее переопределение, которое эквивалентно этому определению 2019 года, выглядит следующим образом: «Килограмм - это масса покоящегося тела, эквивалентная энергия которого равна энергии набора фотонов, чья сумма частот составляет [1,356392489652 × 10] герц. "
Килограмм может быть выражен непосредственно через определяющие константы:
, ведущие к
Определение ампера подверглось серьезной переработке. Предыдущее определение, которое трудно реализовать с высокой точностью на практике, было заменено определением, более интуитивным и более простым для понимания.
Ампер может быть выражен непосредственно через определяющие константы следующим образом:
Для иллюстрации, это эквивалентно определению одного кулона как точного указанного кратного элементарного заряда.
Посколькупредыдущее определение содержит ссылку на force, которая имеет размеры MLT, из этого следует, что в предыдущем SI килограмм, метр и секунда - основные единицы, представляющие эти размеры. до того, как можно было определить ампер. Другими следствиями предыдущих определений было то, что в SI значение проницаемости вакуума (μ0) было зафиксировано на уровне 4π × 10 H⋅m. Скорость света в вакууме (c) также зафиксирована, это следует из соотношения
, что диэлектрическая проницаемость (ε0) имеет фиксированное значение, а из
что сопротивление свободного пространства (Z0) также имело фиксированное значение.
Следующим пересмотренным определением является то, что ампер больше не зависит от определенных килограмма и метра; однако это все еще зависит от определения второго. Кроме того, численные значения проницаемости вакуума, диэлектрической проницаемости вакуума и импеданса свободного пространства, которые были точными до переопределения, подвержены экспериментальной ошибке после переопределения. Например, численное значение проницаемости вакуума имеет относительную погрешность, равную экспериментальную значению постоянной тонкой структуры 
Определение ампера приводит к точным значениям для
Определение кельвина претерпело фундаментальные изменения. Вместо того, чтобы использовать тройную точку воды для определения шкалы температуры, в новом определении используется эквивалент энергии, заданное уравнение Больцмана.
Кельвин может быть выражен непосредственно в терминах определяющих констант как:
Практически идеальная сфера из сверхчистого кремния - часть ныне несуществующего проекта Avogadro, Международная координация Avogadro для определения числа Авогадро Предыдущее определение моль связывало его с килограммом. Рассмотренный пересмотренный параметр данного вещества прерывается, так как родинка обозначается определенным компонентом рассматриваемого вещества.
Моль может быть выражен непосредственно в терминах определяющих констант как:
Одним из следствий этого изменения является то, что ранее определенное соотношение между массой атома C, дальтон, килограммом и числом Авогадро больше не действует. Необходимо было изменить одно из следующего:
Формулировка 9-й брошюры SI подразумевает, что первое утверждение остается в силе, Приложении 2 к 9-й брошюре SI указано, что это означает, что второе уже не соответствует действительности. константа молярной массы, но все еще с большой точностью оставшийся 1 г / моль больше не соответствует этому значению. «Молярная масса углерода 12, M (C), равна 0,012 кг / моль в пределах относительной стандартной стандартной неопределенности, равной это рекомендованное значение N A h на момент принятия настоящей Резолюции, а именно 4,5 × 10, и
Новое определение candela фактически такое же, как и что в его будущем будет определяться экспериментально », в котором нет ссылок на дальтон и согласуется с любым утверждением. предыдущее определение, в зависимости от других е базовых единиц, в результате чего новое определение килог рамма и дополнительная строгость вх определения секунды и метра распространяются на канделу.
Все семь основных единиц СИ будут определены в терминах определенных констант и универсальных физических констант. Семь констант необходимы для разных основных единиц набора, но нет прямого выбора между каждым конкретным набором вариантов и конкретных константой; кроме второй и моля, более чем одна из семи констант определению любой конкретной данной единицы.
Когда была впервые введена Новая СИ, разработчики могли выбирать из более чем шести подходящих физических констант. Например, после того, как установлены, как длина и время были, универсальная гравитационная постоянная G может, с точки зрения размера, I. На практике G можно измерить только с относительной погрешностью порядка 10, что было достигнуто к верхнему пределу воспроизводимости килограмма около 10, тогда как текущий прототип можно измерить с воспроизводимостью 1,2 × 10. Физические константы были выбраны на основе минимальной неопределенности. с измерением константы, и степенью независимости константы от других констант. Хотя BIPM разработал стандартную техническую информацию (практическую технику) для каждого типа измерения, стандартную технику, используемую для измерения, не является частью определения - это просто гарантия того, что измерение может быть выполнено без превышения максимальной неопределенности.
Большая часть работы, выполняемой CIPM, делегирована консультативным комитетам. Консультативный комитет CIPM для подразделений (CCU) внес предлагаем изученные изменения, в то время как другие комитеты подробноили предложение и сделали рекомендации относительно их принятия CGPM в 2014 году. Консультативные комитеты установили ряд критериев, которые необходимы прежде, чем они поддержат предложение CCU, включая:
По состоянию на март 2011 года Международная координация Авогадро (IAC) получила неопределенность 3,0 × 10, а NIST получила неопределенность 3,6 × 10 в своих измерениях. 1 сентября 2012 года Европейская ассоциация национальных метрологических институтов (EURAMET) запустила официальный проект по уменьшению относительной разницы весами Киббла и кремниевой сферой при измерении килограмма с (17 ± 5) × 10 с точностью до 2 × 10. состояние на март 2013 г. предлагаемое переопределение известно как «Новая СИ», но в статье, следующей за предложением CGPM, но предшествующей официальному предложению CCU, предположил, что, поскольку предлагаемая система использует явления атомного масштаба, а не макроскопические явления, ее следует называть «квантовой системой SI».
Согласно рекомендованным CODATA значениям фундаментальных физических констант 2014 г., опубликованным в 2016 г. с использованием данных, собранных до конца 2014 г., все измерения соответствовали стандартам CGPM. требований, а также переопределение и следующее четырехлетнее собрание CGPM в конце 2018 г. теперь может продолжаться.
20 октября 2017 г. 106-е собрание Международного комитета мер и весов (CIPM) официально приняло пересмотренный проект резолюции A, призывая к переопределению SI, которое будет проголосовано на 26-й сессии CGPM. В тот же день, в ответ на одобрение CIPM окончательных значений, Целевая группа CODATA по фундаментальным константам опубликовала свои рекомендации 2017 г. выделенные значения для четырех констант с неопределенностями и предлагаемые числовые значения для переопределения без неопределенности. Голосование, которое состоялось 16 ноября 2018 г. на 26-й сессии GCPM, было единодушным; все присутствующие национальные представители проголосовали за пересмотренное предложение.
Новые определения вступили в силу 20 мая 2019 года.
В 2010 году Маркус Фостер из Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) опубликовал широкую критику СИ; он поднял множество вопросов, начиная от основных, таких как отсутствие символа «Ω » (Omega, для Ом ) на большинстве западных компьютерных клавиатур, до абстрактных вопросов, таких как неадекватность формализм в метрологических концепциях, на которых базируется СИ. Изменения, предложенные в Новой системе СИ, касаются только проблем с определением базовых единиц, включая новые определения кандела и моль - единицы, которые, как утверждал Фостер, не являются истинными базовыми единицами. Другие вопросы, поднятые Фостером, выходили за рамки этого предложения.
Были высказаны опасения, что использование определений явной константы определяемой единицы которые не связаны с примером его количества, будут иметь много неблагоприятных последствий. Хотя эта критика относится к привязке килограмма к постоянной Планка h посредством маршрута, требующего знания как специальной теории относительности, так и квантовой механики, она не распространяется на определение ампера, которое ближе к примеру его величины. чем предыдущее определение. Некоторые наблюдатели приветствовали изменение, основанное на определении электрического тока на заряде электрона, а не на предыдущем определении силы между двумя параллельными проводниками с током; поскольку природа электромагнитного взаимодействия между двумя телами несколько отличается на уровне квантовой электродинамики, чем на классических электродинамических уровнях, считается неуместным использовать классическую электродинамику для определения величин, которые существуют на квантово-электродинамические уровни.
Когда в 2005 году было сообщено о масштабе расхождения между IPK и национальными килограммовыми прототипами, начались дебаты о том, можно ли килограмм должен быть определен как масса атома кремния-28 или с помощью весов Киббла. Масса атома кремния может быть определена с помощью проекта Авогадро, а с помощью числа Авогадро она может быть напрямую связана с килограммом. Также были высказаны опасения, что авторам предложения не удалось устранить последствия разрыва связи между моль, килограмм, дальтон и константой Авогадро (NA). Эта прямая связь заставила многих утверждать, что крот - не настоящая физическая единица, а, по словам шведского философа Йоханссона, «масштабный коэффициент».
8-е издание SI Brochure определяет дальтон в терминах массы атома C. Он определяет постоянную Авогадро в терминах этой массы и килограмма, делая ее определяемой экспериментально. В предложении фиксируется постоянная Авогадро, а в 9-й брошюре SI сохранено определение дальтона в терминах C, в результате чего связь между дальтоном и килограммом будет нарушена.
В 1993 году Международный союз чистой и прикладной химии (IUPAC) одобрил использование дальтона в качестве альтернативы единой единице атомной массы с оговоркой, которую CGPM не одобрил. Это одобрение было дано. Следуя предложению переопределить моль, зафиксировав постоянное значение Авогадро, Брайан Леонард из Университета Акрона в статье Metrologia использует переопределить дальтон (Да) таким образом, чтобы N A = (г / Да) моль, но единая атомная единица массы (m u) сохраняет свое текущее определение, основанное на массе C, перестать быть точно равным дальтону. 9-й брошюре СИ, однако, дальтон (Да) и единичная атомная единица массы (u) оцен как ровно 1/12 массы свободного атома углерода-12, а не по отношению к килограмму, так что приведенное выше уравнение будет неточным.
Для разных температурных диапазонов требуются разные методы измерения. Комнатную температуру можно измерить расширение и сжатие 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 стандартной единицей, а является средним значением термической единицы. энергии отдельных частиц, рассматриваемое рассматриваемое тело. Он отметил, что во многих теоретических предложениях представлена величинами или β, где
, а k - постоянная Больцмана. Однако большая часть теории термодинамики основана на температуре.
Консультативный комитет для компании Thermometry, входящий в состав Международного комитета мер и весов, публикует практическую методику (практическую методику) в последний раз обновленную в 1990 году, для измерения температуры. При очень низких и очень высоких температурах он часто связывает энергию с температурой через постоянную Больцмана.
Фостер утверждал, что «сила света [кандела] не физическая количество, но фотобиологическое количество, существующее в человеческом восприятии», до принятия в 1979 году решения определить фотометрические единицы с точки зрения светового (мощности), а не силы света стандартных источников света, уже существовало сомнение в необходимости создания соответствующей установки Более того, все были единодушны в том, что люмен теперь более важен, чем кандела, однако для преемственности кандела была сохранена в качестве данной единицы.
