Omdefinisjon av det internasjonale enhetssystemet for 2018-2019

En underkomité fra den internasjonale komiteen for vekt og måling (CIPM) har foreslått en revisjon av definisjonen av baseenhetene til det internasjonale systemet .

Oppløsning 1 vedtatt av Generalkonferansen for mål og vekt (GFCM) på sitt 24 th  møte, i 2011, bemerket intensjonen med CIPM å foreslå revisjon av SI. I løpet av 25 th CGPM, i 2014, anser CIPM at "til tross for fremskritt, de tilgjengelige data ikke ennå synes tilstrekkelig robust til GFCM vedtatt IF revidert på sitt 25 th møte" og oppmuntrer til videre arbeid fram til 26 th CGPM, 2018 og i 2018, ble disse oppløsningene ble gjort på 26 th GFCM.

De foreslåtte endringene er oppsummert som følger:

“Det vil alltid være de samme syv baseenhetene ( andre , meter , kilo , ampere , kelvin , føflekk og candela ). Kilo, ampere, kelvin og føflekk vil bli omdefinert ved å ta nøyaktige numeriske verdier av Planck-konstanten , den elektriske ladningen , Boltzmann-konstanten og Avogadro-tallet . Det andre, måleren og candela er allerede definert av fysiske konstanter, og det er bare nødvendig å oppdatere definisjonene deres. De nye definisjonene vil forbedre SI uten å endre verdien på enhetene. "

Den niende utgaven av SI-brosjyren beskriver detaljene i disse endringene.

Den siste store revisjonen av det metriske systemet fant sted i 1960 da det internasjonale systemet for enheter ble offisielt utgitt som et konsekvent sett av måleenheter. SI er strukturert rundt syv baseenheter som har tilsynelatende vilkårlige definisjoner og tjue andre enheter avledet fra disse baseenhetene. Selv om enhetene selv danner et sammenhengende system, gjør ikke definisjonene det. Disse forslagene søker å avhjelpe denne tilstanden ved å bruke grunnleggende naturkonstanter til å definere de grunnleggende enhetene. Dette vil blant annet medføre oppgivelse av standard kilo . Den andre og måleren er allerede definert på denne måten.

Det har vært mange kritikker av de reviderte definisjonene siden de ble foreslått, og det er blitt sagt at revisjonen av SI krever ærlige og åpne diskusjoner før beslutninger tas.

De grunnenheter av det internasjonale systemet er nå omdefinert fra sju fysiske konstanter, den eksakte verdien av som er definitivt faste. Denne reformen trådte i kraft den20. mai 2019.

Kontekst

I 1875 møtte tjue av de mest industrialiserte landene på Meter Convention . Resultatet er signeringen av Meter-traktaten som setter opp tre organisasjoner som er ansvarlige for internasjonalt regulering av måleenheter:

• CGPM (General Conference of Weights and Measures) - konferansen møtes hvert fjerde til sjette år og består av representanter for nasjonene som har undertegnet konvensjonen. Den diskuterer og undersøker endringene som skal gjøres for å sikre forplantning og forbedring av det internasjonale enhetssystemet, og den godkjenner resultatene av de nye grunnleggende metrologiske beslutningene ;
• CIPM (International Committee for Weights and Measures) - komiteen består av atten forskere fra forskjellige land utnevnt av CGPM. CIPM møtes årlig og er ansvarlig for rådgivning til CGPM. CIPM har opprettet en rekke underkomiteer for å håndtere forskjellige spesifikke punkter. En av dem, CCU (rådgivende komité for enheter), rådgiver CIPM i spørsmål om måleenheter;
• BIPM (International Bureau of Weights and Measures) - byrået tilbyr laboratorier og sekretariat for CIPM og CGPM.

Siden 1960, da definisjonen av måleren er knyttet til en grunnleggende fysisk konstant i stedet for en prototype, er kiloen den eneste enheten som fremdeles er knyttet til en standard. Gjennom årene har det blitt oppdaget materielle tap på opptil 20 × 10 −9 kg per år i prototypen. På 21 th  møte i GFCM (1999), ble han bedt om nasjonale laboratorier for å raskt finne en måte å bryte koblingen mellom kilo prototype.

En 2007 rapport fra vende komité for temperaturmåler CIPM notater at dagens definisjon av temperatur er ikke tilfredsstillende for temperaturer under 20  K og over 1300  K . Komiteen mener at Boltzmanns konstant vil være et bedre grunnlag for å definere temperatur enn trippelpunktet for vann.

På 23 th  forsamlingen i 2007, den GFCM laste CIPM å undersøke bruken av naturlige fysiske konstanter som grunnlag for definisjonen av alle enheter. Dette oppdraget ble antatt året etter av International Union of Pure and Applied Physics (IUPAP). På et CCU-møte i Reading, Storbritannia iseptember 2010, en resolusjon og et utkast til modifikasjon av SI-brosjyren , som skulle presenteres på et møte i CIPM ioktober 2010, aksepteres i prinsippet. Møtet i CIPM foroktober 2010bemerker at “forholdene vedtatt av generalkonferanse på sitt 23 rd møtet ennå ikke er oppfylt. Av denne grunn foreslår CIPM ikke en revisjon av SI for øyeblikket. "; imidlertid CIPM har en oppløsning av de nye definisjonene er anerkjent prinsipp i den 24 th CGPM (1721. oktober 2011), men ikke implementert før detaljene er avsluttet. Denne oppløsningen er akseptert av konferansen, og, igjen, GFCM avansere dato for 25 th  møtet 2015-2014.

I løpet av 25 th CGPM, i 2014, anser CIPM at "til tross for fremskritt, de tilgjengelige data ikke ennå synes tilstrekkelig robust til GFCM vedtatt IF revidert på sitt 25 th møte" og oppfordrer videre arbeidet frem til 2018. vedtaket var gjøres på den 26 th CGPM, 2018.

Peter J. Mohr antyder at siden det foreslåtte systemet bruker fenomener i atomskala snarere enn makroskopisk skala , bør det kalles "Quantum SI System".

Forslag

CCU har foreslått at i tillegg til lysets hastighet defineres fire naturkonstanter med eksakte verdier: Planck-konstanten , elementærladningen , Boltzmann-konstanten og Avogadro-konstanten . Disse konstantene er beskrevet i 2006-versjonen av SI-håndboken. De tre siste er beskrevet som “konstanter som oppnås ved eksperimentering”.

Det foreslås at verdiene knyttet til de naturlige konstantene av lysets hastighet og lysutgangen forblir uendret.

Ovennevnte syv definisjoner blir omskrevet etter konvertering av enhetene avledet i definisjonen (joule, coulomb, hertz, lumen og watt) til de syv baseenhetene (andre, meter, kilogram, ampere, kelvin, mol og candela). I listen nedenfor representerer symbolet sr steradianen , en dimensjonsfri enhet:

• Δ ν ( 133 Cs) hfs = 9 192631 770  s −1 (uendret);
• c = 299,792,458  s −1  m (uendret);
• h = 6,626 070 15 × 10 −34  s −1  m 2  kg = 6,626 070 15 × 10 −34 joule-second (J⋅s);
• e = 1.602 176 634 × 10 −19  s A = 1.602 176 634 × 10 −19 coulomb (C);
• k = 1.380 649 × 10 −23  s −2  m 2  kg K −1 = 1.380 649 × 10 −23 joule per kelvin (J⋅K -1 );
• N A = 6,022 140 76 × 10 23  mol −1 = 6,022 140 76 × 10 23 enheter per mol (mol -1 );
• K cd = 683  s 3  m −2  kg −1  cd⋅sr (uendret).

I tillegg foreslår CCU at:

• standard kilo brukes ikke lenger, og den nåværende definisjonen av kiloet slettes.
• gjeldende definisjon av ampere slettes;
• gjeldende definisjon av kelvin slettes;
• den nåværende definisjonen av føflekken korrigeres.

Disse endringene vil føre til at omdefinere basisenhetene til SI, slik at definisjonene av de avledede enhetene blir uendret.

Endringer i definisjonen av baseenheter

Det foreslås at definisjonsteksten for grunnleggende enhet omdefineres eller omskrives. De gamle definisjonene (2008) og de nye (2018-2019) er gitt nedenfor.

Sekund

Den foreslåtte definisjonen er den samme som den nåværende, den eneste forskjellen er at forholdene som målingene gjør er strengere.

• Gammel definisjon: Den andre er varigheten av 9192,631,770 perioder med stråling som tilsvarer overgangen mellom de to hyperfine nivåene av grunntilstanden til cesium 133- atomet ved temperaturen absolutt null.
• Ny definisjon: Den andre, s, er varighetenhet; verdien defineres ved å fiksere verdien av antall strålingsperioder som tilsvarer overgangen mellom de to hyperfine nivåene av grunntilstanden til cesium 133- atomet ved temperaturen absolutt null til nøyaktig 9 192 631 770 når den uttrykkes i s −1 .

Måler

Den foreslåtte definisjonen er den samme som den nåværende definisjonen, den eneste forskjellen er at herdingen av definisjonen til den andre forplantes av måleren.

• Gammel definisjon: Måleren er lengden på stien som kjøres i vakuum av lys i løpet av en periode på 1/299 792 458 sekunder.
• Ny definisjon: Måleren, m, er lengdenheten; verdien defineres ved å feste verdien av lysets hastighet i vakuum til nøyaktig 299 792 458 når den uttrykkes i m s −1 .

Kg

Definisjonen av kiloet endrer seg fundamentalt: kiloet ble definert som massen til en prototype; den nye definisjonen knytter den til energiekvivalensen til et foton , gjennom Plancks konstant .

• Gammel definisjon: kilo er massen av den internasjonale prototypen av kiloet. Sistnevnte, sammensatt av en legering av platina og iridium (90% -10%), oppbevares ved International Bureau of Weights and Measures i Sèvres, Frankrike .
• Ny definisjon: kiloet defineres ved å fastsette den numeriske verdien av Plancks konstant til nøyaktig 6,626 070 15 × 10 −34 når den uttrykkes i s −1  m 2  kg , som tilsvarer J s .

En av konsekvensene er at kiloet blir avhengig av definisjonene av andre og meter.

Ampere

Definisjonen av ampere endres fundamentalt; den nåværende definisjonen, som er vanskelig å oppnå med stor presisjon av erfaring, erstattes av en definisjon som er mer intuitiv og lettere å få i praksis.

• Gammel definisjon: Ampere er intensiteten til en konstant strøm som, opprettholdt i to parallelle ledere, rettlinjet, med uendelig lengde, med ubetydelig sirkulært snitt og plassert i en avstand på en meter fra hverandre i vakuumet, ville produsere mellom disse lederne en kraft lik 2 × 10 −7 newton per meter lengde.
• Ny definisjon: Ampere, A, er enheten for elektrisk strøm; dens verdi settes ved å feste den numeriske verdi av elementærladning til nøyaktig 1,602 176 634 x 10 -19 når den blir uttrykt i A s , som tilsvarer C .

En av konsekvensene er at ampère ikke lenger er avhengig av definisjonene av måleren eller kiloet. I tillegg, ved å gi den elementærladning en eksakt verdi, vakuum permeabilitet , vakuum permittivitet og vakuum impedans , som er for tiden med lysets hastighet nøyaktig, vil ha en eksperimentell feilmargin.

Kelvin

Definisjonen av kelvin er fundamentalt i endring. I stedet for å stole på endringer i tilstanden til vannet for å definere skalaen, foreslår anbefalingen å stole på ekvivalent energi som gitt av Boltzmann-ligningen.

• Gammel definisjon: Kelvin, enhet av termodynamisk temperatur , er brøkdelen 1 / 273,16 av den termodynamiske temperaturen til det tredoble punktet av vann .
• Ny definisjon: Kelvin, K, er den termodynamiske temperaturenheten; verdien defineres ved å fastsette den numeriske verdien av Boltzmanns konstant til nøyaktig 1.380 649 × 10 −23 når den uttrykkes i s −2  m 2  kg K −1 , som tilsvarer J K −1 .

Kelvin blir avhengig av definisjonene av sekund, meter og kilo.

Muldvarp

Den gamle definisjonen av føflekken er knyttet til kiloens. Den foreslåtte definisjonen har fjernet denne lenken ved å gjøre føflekken til et bestemt antall enheter av det aktuelle stoffet.

• Gammel definisjon: Føflekken er mengden materie i et system som inneholder så mange elementære enheter som det er atomer i 0,012 kilo karbon 12.
• Ny definisjon: Mol, mol, er enheten for mengden materie av en bestemt elementær enhet, som kan være et atom, et molekyl, et ion, et elektron eller en hvilken som helst annen partikkel eller en bestemt gruppe av disse partiklene; verdien defineres ved å fiksere den numeriske verdien til Avogadro-tallet til nøyaktig 6,022 140 76 × 10 23 når det uttrykkes i mol -1 .

En av konsekvensene er at forholdet mellom massen til atomet på 12 C, enheten av enhetlig atommasse (eller dalton), kilo og antall Avogadro er modifisert:

• den molare massen av 12 C blir en eksperimentell mengde som ikke lenger er nøyaktig kjent, men med en viss måleusikkerhet. På tidspunktet for den 26 th GFCM , er hans mest kjente verdi 0,012  kg / mol , men med en relativ usikkerhet på 4,5 x 10 -10  ;
• den enhetlige atommasseenheten , symbol u (eller dalton, symbol Da) forblir fast på 1/12 av massen til et atom på 12 C; det blir derfor også en eksperimentell størrelse, kjent med samme relative usikkerhet som molmassen på 12 C (siden 12 og N A er eksakte verdier).

Candela

Den foreslåtte definisjonen er den samme som den som brukes, men omformuleres.

• Gammel definisjon: Candela er lysstyrken i en gitt retning av en kilde som avgir monokromatisk stråling med frekvensen 540 × 10 12 s −1 (hertz) og hvis energiintensitet i denne retningen er 1/683 watt per steradian . 
• Ny definisjon: Candela, cd, er enheten for lysstyrke i en gitt retning; verdien defineres ved å fiksere den numeriske verdien av energiintensiteten til en monokromatisk stråling med frekvens 540 × 10 12  s −1 (hertz) til nøyaktig 683 når den uttrykkes i s 3  m −2  kg −1  cd⋅sr , eller cd sr W −1 , som tilsvarer lm W −1 .

Innvirkning på usikkerhet

Følgende tabell viser endringene:

Relativ usikkerhet om forskjellige fysiske størrelser

Enhet	Konstant brukt som referanse	Symbol	Gammel definisjon	Siden 20. mai 2019
kg	Masse av prototype kilo	m (K)	0	5,0 × 10 −8
	Planck konstant	h	5,0 × 10 −8	0
PÅ	Magnetisk konstant	μ 0	0	6,9 × 10 −10
	Elementær ladning	e	2,5 × 10 −8	0
K	Trippel punkt vanntemperatur	T TPW	0	1,7 × 10 −6
	Boltzmann konstant	k	1,7 × 10 −6	0
mol	Molarmasse på 12 C	M ( 12 C)	0	4,5 × 10 −10
	Antall Avogadro	N A	1,4 × 10 −9	0

Den relative usikkerheten ved målingen av den andre er fortsatt 1 × 10 −14 og måleren er alltid 2,5 × 10 −8 .

Kritikk av forslagene

Gary Price hevder at disse forslagene:

• vil forårsake forvirring fordi disse konstantbaserte definisjonene ikke forholder enhetene til et eksempel på størrelsen;
• vil risikere å skade vitenskapen fordi den sirkulære definisjonen av enheter vil gjøre det umulig å oppdage fremtidige endringer i grunnleggende konstanter;
• vil forårsake økonomisk skade på grunn av økte kostnader og barrierer for internasjonal handel.

BP Leonard hevder at "det grunnleggende konseptet til føflekken krever at antall enheter som består av et føflekk, dvs. Avogadro-konstanten, er nøyaktig lik gram-dalton-masseforholdet, og at disse forslagene bryter denne tilstanden ved uavhengig å definere kilo dalton og føflekken. ".

Franco Pavese hevder at mange punkter må forstås før definisjonsendringene endres, for eksempel antall tellinger og verdien av Avogadro-tallet, tap av begrepet basisenhet, muligheten for å sjekke om fremtidige endringer for dem. og overgangen til enhet av eksperimentell usikkerhet.

Merknader og referanser

• (en) Denne artikkelen er delvis eller helt hentet fra Wikipedia-artikkelen på engelsk med tittelen "  New SI definitions  " ( se listen over forfattere ) .

1. "  På mulig fremtidig revisjon av SI-systemet, SI: Oppløsning 1 av 24 th  møte i Generalkonferansen for mål og vekt  ," CIPM , Sèvres, Frankrike, Det internasjonale byrå for mål og vekt,21. oktober 2011( les online )Det forventes ikke at disse forslagene blir vedtatt uten at visse forutsetninger er oppfylt, og i alle fall ikke før 2014. Se (in) "  exchange Mulig til det internasjonale enhetssystemet  " , IUPAC Wire , International Union of Pure and Applied Chemistry, vol. .  34, n o  1,Januar-februar 2012( les online ).
2. Peter Mohr, “  Omdefinere SI-baseenhetene,  ” på NIST Newsletter , NIST,2. november 2011(tilgjengelig på en st mars 2012 ) .
3. "  på fremtidig revisjon av SI-systemet, SI: Oppløsning 1 av 25 th  møte i Generalkonferansen for mål og vekt  ," CIPM , Sèvres, Frankrike, Det internasjonale byrå for mål og vekt,2014( les online ).
4. "  Utkast til resolusjon A - 26. møte i CGPM (13.-16. November 2018)  "
5. (in) Michael Kuehne, "  Redefinition of the SI  " på Keynote-adresse, ITS 9 (Ninth International Symposium Temperature) , Los Angeles, NIST5. desember 2012(tilgjengelig på en st mars 2012 ) .
6. "  The International System of Units (SI)  " , BIPM,2019( ISBN  978-92-822-2272-0 , åpnet 16. september 2020 ) .
7. Yaroslav Pigenet, "  Disse konstantene som gir mål  " , på Journal du CNRS ,7. september 2018(åpnet 29. september 2018 ) .
8. Daussy 2018 .
9. Mathieu Grousson, "  Measurements: the great reversal  " , på CNRS ,5. september 2018(åpnet 28. september 2018 ) .
10. "  CIPM: International Committee of Weights and Measures  " , BIPM (åpnet 3. oktober 2010 ) .
11. (in) Peter Mohr, "  Nyere fremgang i grunnleggende konstant og det internasjonale systemet for enheter  " på tredje verksted om presisjonsfysikk og grunnleggende fysiske konstanter ,6. desember 2010(åpnet 2. januar 2011 ) .
12. (i) Fischer, J. et al., "  Rapport til CIPM om implikasjonene av å endre definisjonen av kelvin-baseenheten  " ,2. mai 2007(åpnet 2. januar 2011 ) .
13. (in) "  Resolusjonsforslag forelagt forsamlingen av IUPAP-kommisjon C2 (Sunamco)  " [ arkiv27. september 2011] , International Union of Pure and Applied Physics,2008(åpnet 8. mai 2011 ) .
14. (in) Ian Mills '  fremtid Om revisjon av det mulige internasjonale enhetssystemet, SI  " , CCU,29. september 2010(tilgjengelig på en st januar 2011 ) .
15. (no) Ian Mills, “  Utkast til kapittel 2 for SI-brosjyre, etter omdefineringer av basisenhetene  ” , CCU,29. september 2010(tilgjengelig på en st januar 2011 ) .
16. "  Towards the" new IS "...  " , International Bureau of Weights and Measures (BIPM) (åpnet 25. november 2014 ) .
17. (i) "  fremtiden om revisjon av mulighets SI-systemet, SI - resolusjonsutkastet A  " , International Committee for mål og vekt (CIPM) (tilgjengelig på 4 juli 2011 ) .
18. (in) "  Generalkonferansen om vekter og tiltak godkjenner kan byttes til det internasjonale systemet for enheter, inkludert omdefinering av kiloet.  » , Sèvres, Frankrike, generalkonferanse om vekt og mål,23. oktober 2011(åpnet 25. oktober 2011 ) .
19. (i) Peter J. Mohr , "  The Quantum SI: A New International System of Units Possible  " , Fremskritt i kvantekjemi , Academic Press, vol.  53,2008, s.  34 ( ISBN  9780123739254 , leses online ).
20. 13 th Generalkonferansen for mål og vekt (1967-1968), Oppløsning 1 .
21. 17 th Generalkonferansen for mål og vekt (1983), Oppløsning 1 .
22. "  1 st Generalkonferansen for mål og vekt (1889)  " .
23. "  International Committee for mål og vekt, 1946  " .
25. "  13 th Generalkonferansen for mål og vekt (1967), Oppløsning 4  " .
26. J Fischer , B Fellmuth , C Gaiser og T Zandt , “  The Boltzmann project  ”, Metrologia , vol.  55, n o  to1 st april 2018, R1 - R20 ( ISSN  0026-1394 og 1681-7575 , DOI  10.1088 / 1681-7575 / aaa790 , lest online , åpnet 5. mars 2019 )
27. "  14 th Generalkonferansen for mål og vekt (1971), Oppløsning 3  " .
28. (in) "  Praktisk for definisjonen av føflekken i SI  " [PDF] på BIPM ,20. mai 2019(åpnet 22. april 2020 ) .
29. “  SI Brochure  ” [PDF] , på BIPM (åpnet 22. april 2020 ) , s.  93.
30. "  16 th Generalkonferansen for mål og vekt (1979), Oppløsning 3  " .
31. (i) Ian Mills, "  En merknad til CIPM fra Ian Mills, president for CCU: Tanker om tidspunktet for endringen fra strømmen til IF ny IF  " , CCU,oktober 2010(tilgjengelig på en st januar 2011 ) .
32. (i) William B. Penzes, "  Time Line for en definisjon av Meter  " (vist på en st januar 2011 ) .
33. (i) Gary Price , "  A skeptic's review of the New SI  " , Akkreditering og kvalitetssikring: Journal for kvalitet, sammenlignbarhet og pålitelighet i kjemisk måling , vol.  16 n o  3,2011, s.  121–132 ( DOI  10.1007 / s00769-010-0738-x ).
34. (i) BP Leonard , "  Kommentarer til nylige forslag om omdefinering av kilo og føflekk  " , Metrologia , Vol.  47, n o  3,2010, s.  L5 - L8 ( DOI  10.1088 / 0026-1394 / 47/3 / L01 ).
35. (i) Franco Pavese , "  Noen refleksjoner om foreslått omdefinering av enheten for mengden stoff og andre SI-enheter  " , Akkreditering og kvalitetssikring: Journal for kvalitet, sammenlignbarhet og pålitelighet i kjemisk måling , vol.  16 n o  3,2011, s.  161–165 ( DOI  10.1007 / s00769-010-0700-y ).

Se også

Bibliografi

• Nadine de Courtenay, "  Mot et virkelig universelt enhetssystem  ", Pour la science , nr .  493,november 2018, s.  52–61.
• .

Relaterte artikler

• Baseenheter i det internasjonale systemet

Eksterne linker

• “  BIPM-nettsted  ” angående det nye enhetssystemet, med en “  FAQ  ”
• (en) "  The New SI: Måleenheter basert på grunnleggende konstanter  "