Cambios en las definiciones de las unidades base del SI (2019)

En 2019 entraron en vigor cambios en las definiciones de las unidades básicas del Sistema Internacional de Unidades (SI) , consistentes en que las unidades básicas del SI comenzaron a definirse a través de valores fijos de constantes físicas fundamentales . Al mismo tiempo, los valores de todas las unidades se mantuvieron sin cambios, sin embargo, el vínculo con los estándares materiales finalmente desapareció de sus definiciones. Estos cambios se han propuesto durante mucho tiempo, pero solo a principios del siglo XXI se hicieron posibles. La decisión final sobre los cambios fue tomada por la XXVI Conferencia General de Pesos y Medidas en 2018.

Contenido de los cambios

El Sistema Internacional de Unidades , SI, incluye 7 unidades básicas de medida:  segundo , metro , kilogramo , amperio , kelvin , mol , candela , así como un número de sus unidades derivadas [1] .

Antes de los cambios, el kilogramo se definía como la masa de un estándar específico: el prototipo internacional del kilogramo. Esta definición tiene algunos inconvenientes. Otras unidades básicas no estaban ligadas a artefactos específicos, pero algunas definiciones también resultaron ser inconvenientes (y, además, ellas mismas se basaron en definiciones del kilogramo) [2] .

Los cambios se aplican a todo el SI. Afectan directamente a las definiciones del kilogramo, amperio, kelvin y mol: ahora estas unidades se definen a través de valores fijos de la carga eléctrica elemental y las constantes de Planck , Boltzmann y Avogadro [3] .

Se observa la continuidad del SI: como resultado de los cambios, el valor de todas las unidades de medida no ha cambiado; el valor numérico de los resultados de las mediciones, expresado en unidades antiguas, tampoco cambió (a excepción de algunas cantidades eléctricas, que se discutirán más adelante). Sin embargo, algunas cantidades que previamente se determinaron con exactitud se han determinado experimentalmente [4] .

Nueva definición de SI

El Sistema Internacional de Unidades, SI, es un sistema de unidades en el que [5] :

• la frecuencia del desdoblamiento hiperfino del estado fundamental del átomo de cesio-133 Δ ν Cs es exactamente 9 192 631 770 Hz ;
• la velocidad de la luz en el vacío c es exactamente 299.792.458 m/s ;
• La constante de Planck ℎ es exactamente igual a 6.626 070 15⋅10 −34 kg m 2 s −1 ;
• la carga eléctrica elemental e es exactamente igual a 1.602 176 634⋅10 −19  A s;
• la constante k de Boltzmann es exactamente 1.380 649⋅10 −23 J/K;
• La constante de Avogadro N A es exactamente 6.022 140 76⋅10 23 mol −1 ;
• la eficiencia luminosa K cd de la radiación monocromática con una frecuencia de 540⋅10 12  Hz es exactamente 683 lm/W.

Es posible dar a esta definición la forma de un conjunto de definiciones de unidades básicas [1] . Este conjunto de definiciones se da en el artículo Unidades SI básicas § Unidades básicas .

Impacto de los cambios en las unidades básicas

Segundo y metro

Las definiciones de segundo y metro no han cambiado de contenido, sin embargo, se han reformulado para cumplir con la unidad estilística de las definiciones [3] .

Kilogramo

El valor de un kilogramo se establece fijando el valor numérico de la constante de Planck ℎ en unidades de kg m 2 s −1 (teniendo en cuenta los valores establecidos del segundo y metro) [3] [7] .

Anteriormente, el kilogramo se definía como la masa del prototipo internacional del kilogramo. Como resultado de los cambios en la masa de todos los estándares de kilogramos que se remontan al prototipo internacional del kilogramo, se ha adquirido un error adicional de 10 μg, ya que la masa del prototipo en sí es ahora de 1 kg con exactamente este error [8] . Aunque el prototipo internacional del kilogramo ya no sirve como patrón del kilogramo como unidad SI, todavía se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas, protegido en la medida de lo posible de influencias externas [9] .

Amperio

El valor del amperio se establece fijando el valor numérico de la carga eléctrica elemental e en unidades de A⋅s. Además, se han cancelado los valores fijos de la constante de Josephson K J-90 y de la constante de von Klitzing R K-90 [3] recomendados anteriormente para la implementación de voltios y ohmios .

Los valores medidos y las escalas de voltajes y resistencias han cambiado en una fracción del orden de 10 −7 y 10 −8 , respectivamente, sin embargo, esto no se debe a un cambio en las definiciones de las unidades básicas, sino a la hecho de que valores previamente fijados de las constantes de Josephson y von Klitzing, no son consistentes con el resto del SI [10] .

Kelvin

El valor de kelvin se establece fijando el valor numérico de la constante k de Boltzmann en unidades de kg m 2 ·s −2 ·K −1 . A su vez, a través de las constantes definitorias, el kelvin se expresa como ℎ Δ ν Cs / k con cierto factor adimensional, es decir, su valor en realidad no está relacionado con la velocidad de la luz y el tamaño del metro, a pesar de la hecho de que la unidad de k , expresada a través de unidades básicas, incluye el metro [3] [6] [7] .

Topo

El valor del mol se establece fijando el valor numérico de la constante de Avogadro N A [3] .

Candela

La definición de la candela no ha cambiado en sustancia, excepto por el hecho de que está asociada con otras unidades, y sus definiciones han cambiado [3] [7] .

Antecedentes, preparación y aceptación

El Sistema Internacional de Unidades, SI, fue adoptado en 1960 y fue complementado y ajustado por el Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) en los años siguientes. Durante más de 50 años, el SI ha conservado la definición del kilogramo, vigente desde 1889: 1 kilogramo es la masa del prototipo internacional del kilogramo M IPK (además, en el siglo XIX también se definió el kilogramo a través de un estándar material). Esto creó dificultades: tanto el prototipo en sí como sus copias cambian de masa con el tiempo debido a la contaminación y el desgaste; es posible establecer inequívocamente la dirección del cambio solo para copias en relación con el prototipo; al mismo tiempo, para minimizar los cambios en la masa del prototipo, su comparación con las copias se llevó a cabo muy raramente, y en los intervalos entre las comparaciones, los errores se acumularon debido a los cambios en las masas de las copias, y dado que no había otra manera para reproducir el kilogramo, todos los usuarios del estándar de kilogramo (organizaciones metrológicas nacionales) recibieron el valor del kilogramo con estos errores. Las propuestas para cambiar la definición del kilogramo fijando el valor de alguna constante natural, tal como se hizo con el metro, sonaron durante mucho tiempo y con regularidad, pero solo a principios del siglo XXI la precisión de los experimentos se volvió suficiente. para realizar esta idea [11] .

Comunidades de especialistas en metrología en diversos campos de la ciencia y la tecnología también apoyaron la idea de los cambios. La implementación práctica de las unidades de voltaje y resistencia no se basó en la definición del amperio, sino en valores fijos de las constantes de Josephson y von Klitzing ; abandonar estos valores fijos mientras se fijan e y ℎ haría que las unidades de electricidad y magnetismo fueran consistentes con el resto del SI. La unidad de temperatura se determinó fijando la temperatura del punto triple del agua T TPW , sin embargo, esta temperatura depende de la composición isotópica del agua y las impurezas que contiene, y además, tal definición no se adapta bien a temperaturas muy bajas y muy altas. - redefiniendo el kelvin a traves de la fijacion k solucionaba estos problemas. Finalmente, dado que el concepto de cantidad de materia no está relacionado con la masa de las partículas, se propuso al mismo tiempo cambiar la definición de mol, desacoplandola de la masa de un átomo de carbono-12 m ( 12 C) y vinculándolo a un valor fijo de N A [12] .

También se podría eliminar la vinculación del sistema de unidades a una transición electrónica específica en un átomo específico que aparece en la definición de un segundo, fijando otra constante fundamental en su lugar, por ejemplo, la constante gravitacional , como se hace, por ejemplo, en el sistema de unidades de Planck . Sin embargo, la incertidumbre del valor medido de la constante gravitacional es demasiado grande para esto [13] .

Los cambios, tal como se adoptaron, se remontan a la propuesta de 2006 [4] . Los principios básicos de la reforma y los requisitos para la precisión de las mediciones de los valores de las constantes físicas necesarias para la reforma fueron adoptados en las Conferencias Generales de Pesos y Medidas en 2011 y 2014 [14] .

Como parte de la preparación de los cambios en 2014, se realizó una comparación extraordinaria de la masa del prototipo internacional del kilogramo con sus ejemplares. Varios grupos científicos de todo el mundo han tomado medidas de constantes fundamentales para reducir el error al nivel requerido. El Grupo de Trabajo de CODATA sobre Constantes Fundamentales recopiló estos datos en la publicación extraordinaria del conjunto de valores constantes de 2017, y en base a estos valores se seleccionaron valores fijos para el nuevo SI [15] .

La decisión sobre los cambios en el SI y los valores específicos de las constantes físicas se tomó finalmente el 16 de noviembre de 2018, cuando los participantes de la XXVI Conferencia General de Pesos y Medidas las votaron por unanimidad [14] . Las nuevas definiciones SI entraron en vigor el 20 de mayo de 2019, en el día de la metrología [16] .

Para cada una de las unidades básicas del nuevo SI, se definen métodos recomendados para la implementación práctica de las unidades. Entonces, para un kilogramo, estas son escalas Kibble y análisis de rayos X de la densidad del cristal (XRCD) [17] .

El SI actualizado permite cambios adicionales. En particular, el progreso en el campo de la medición de las frecuencias de las ondas electromagnéticas y el diseño de relojes atómicos permite esperar que en aproximadamente una década el segundo se redefina a través de la frecuencia de alguna otra transición electrónica [18] .

Desventajas

Dado que la unidad de masa atómica todavía se define en términos de la masa del átomo de carbono-12, ya no es exactamente igual a 1 gramo dividido por el número de Avogadro. Algunos autores critican el nuevo SI, señalando que fijar la unidad de masa atómica en lugar de la constante de Planck resolvería este problema, y ​​los argumentos que llevaron a la elección de la constante de Planck en la década de 2000 ya no eran válidos en la década de 2010 [19] .

La constante eléctrica y la constante magnética en SI antes de los cambios tenían valores exactos: m/ H y H/m. Tras la reforma, estas igualdades comenzaron a observarse no de forma absolutamente exacta, sino hasta nueve cifras significativas, adquiriendo el mismo error relativo que la constante de estructura fina . De esto, en particular, se deduce que los coeficientes para convertir entre unidades SI y diversas variantes del sistema CGS han dejado de ser valores fijos exactos, ya que se expresan en términos de la constante magnética. Esto podría haberse evitado si no se hubiera fijado la carga elemental , sino el valor anterior de la constante magnética o, lo que es equivalente para fija y , la carga de Planck . Sin embargo, esta opción fue rechazada, ya que la implementación anterior de los estándares de cantidades relacionadas con la electricidad y el magnetismo se basaba en las constantes fijas de Josephson y von Klitzing, lo que equivale a fijar la constante de Planck y la carga elemental, por lo que la transición a el nuevo sistema resultó ser más fácil al fijar la carga elemental [20] .

Notas

1. ↑ Folleto 1 2 SI, 2019 , pág. 18-23, 130-135.
2. ↑ Stock et al, 2019 , págs. 3-4.
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Folleto SI, 2019 , pág. 92-94, 197-199.
4. ↑ 1 2 Stock et al, 2019 , pág. 2.
5. ↑ Folleto SI, 2019 , pág. 15-16, 127-128.
6. ↑ 1 2 3 Richard S. Davis. Cómo definir las unidades del SI revisado a partir de siete constantes con valores numéricos fijos // Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. - 2018. - Vol. 123. - P. 123021. - doi : 10.6028/jres.123.021 .
7. ↑ 1 2 3 4 Richard Davis. Una introducción al sistema internacional revisado de unidades (SI) // IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. - 2019. - Vol. 22, núm. 3.- Pág. 4-8. -doi : 10.1109/ MIM.2019.8716268 .
8. ↑ Nota sobre el impacto de la redefinición del kilogramo en las incertidumbres de calibración de masa BIPM . BIPM . Consultado el 9 de junio de 2019. Archivado desde el original el 27 de mayo de 2019. (indefinido)
9. ↑ Preguntas frecuentes sobre la revisión del SI que entró en vigor el 20 de mayo de 2019 . BIPM . Consultado el 12 de octubre de 2021. Archivado desde el original el 12 de octubre de 2021. (indefinido)
10. ↑ Directrices de CCEM para la implementación del 'SI revisado' . BIPM . Consultado el 9 de junio de 2019. Archivado desde el original el 5 de octubre de 2018. (indefinido)
11. ↑ Stock et al, 2019 , págs. 1-2.
12. ↑ Stock et al, 2019 , págs. 2-3.
13. ↑ C. Rothleitner y S. Schlamminger. Artículo de revisión invitado: Mediciones de la constante de gravitación newtoniana, G // Revisión de instrumentos científicos. - 2017. - Vol. 88. - P. 111101. - doi : 10.1063/1.4994619 .
14. ↑ 1 2 Resolución 1 de la 26 CGPM (2018) . BIPM . Consultado el 12 de octubre de 2021. Archivado desde el original el 26 de agosto de 2021. (indefinido)
15. ↑ Stock et al, 2019 , págs. 3-10.
16. ↑ El Sistema Internacional de Unidades: hacer medidas fundamentalmente mejores . BIPM . Consultado el 12 de octubre de 2021. Archivado desde el original el 4 de julio de 2021. (indefinido)
17. ↑ Realizaciones prácticas de las definiciones de algunas unidades importantes . BIPM . Consultado el 10 de junio de 2019. Archivado desde el original el 9 de abril de 2020. (indefinido)
18. ↑ Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias y Lennart Robertsson. La lista CIPM de valores estándar de frecuencia recomendados: pautas y procedimientos // Metrologia. - 2018. - Vol. 55. - Pág. 188. - doi : 10.1088/1681-7575/aaa302 .
19. ↑ Bronnikov K. A., Ivashchuk V. D., Kalinin M. I., Melnikov V. N., Khrushchev V. V. Sobre la elección de constantes fundamentales fijas para nuevas definiciones de unidades SI // Izmeritelnaya Tekhnika. - 2016. - Nº 8. - S. 11-15.
20. ↑ Ronald B. Goldfarb. La permeabilidad del vacío y el sistema internacional revisado de unidades // IEEE Magnetics Letters. — vol. 8. - doi : 10.1109/LMAG.2017.2777782 .

Literatura

• Le Système international d'unités (SI) / El Sistema Internacional de Unidades (SI)  : [ fr. , ingles ]. - 9ª ed. - BIPM, 2019. - ISBN 978-92-822-2272-0 .