إعادة تعريف الوحدات الأساسية في النظام الدولي للوحدات

في 16 نوفمبر 2018، صوتت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس (CIPM) بالإجماع على إجراء تعديلات بسيطة على الوحدات الأساسية SI، خلال المؤتمر العام السادس والعشرين بشأن الأوزان والمقاييس (CGPM). وستدخل التعديلات حيز التنفيذ في 20 مايو 2019.
تم تصميم النظام المتري في الأصل على أنه نظام للقياس يمكن استخلاصه من الظواهر غير المتغيرة. ومع ذلك، عندما تم إدخال النظام المتري لأول مرة في فرنسا في عام 1799، استلزمت القيود التقنية استخدام القطع الأثرية (مقياس النموذج الأولي وكيلوغرام النموذج) بدلاً من ذلك. في عام 1960 تم إعادة تعريف المتر من حيث طول موجة الضوء من مصدر معين، مما يجعلها مشتقة من الظواهر الطبيعية، تاركا كيلوغرام النموذج كنقطة أثرية فقط تعتمد عليها تعريفات وحدة SI. إذا تم قبول إعادة التعريف المقترحة، فسيكون النظام المتري (SI)، لأول مرة، قابلاً للاشتقاق كليا من الظواهر الطبيعية.
يمكن تلخيص المقترح على النحو التالي:
ما تزال هناك نفس الوحدات الأساسية السبعة (الثانية، والمتر، والكيلوغرام، والأمبير، والكلفن، والمول).
سيتم إعادة تعريف كيلوغرام وأمبير، كلفن ومول عن طريق اختيار القيم العددية الدقيقة لثابت بلانك، الشحنة الكهربائية الأولية، ثابت بولتزمان، وثابت أفوجادرو، على التوالي.
ويتم تعريف الثانية، متر وكانديلا بالفعل من قبل الثوابت الفيزيائية وأنه من الضروري فقط لتعديل تعريفاتها الحالية. ستعمل التعريفات الجديدة على تحسين SI دون تغيير حجم أي وحدات، وبالتالي ضمان الاستمرارية بالقياسات الحالية.
مزيد من التفاصيل موجودة في مشروع الفصل من كتيب SI التاسع.
كان آخر تعديل رئيسي للنظام المتري في عام 1960 عندما تم نشر النظام الدولي للوحدات (SI) رسميا كمجموعة متماسكة من وحدات القياس.
يتم تنظيم SI حول سبع وحدات أساسية لا يتم تقييد تعريفاتها بواسطة أي وحدة أخرى ووحدات أخرى مسماة 22 وحدة مشتقة من هذه الوحدات الأساسية. وعلى الرغم من أن مجموعة الوحدات تشكل نظامًا متماسكًا، فإن التعاريف لا تفعل ذلك.
سعت الحاجة إلى الاقتباس الاقتراح المعروض على CIPM إلى تصحيح هذا باستخدام الكميات الأساسية للطبيعة كأساس لاشتقاق الوحدات الأساسية. وهذا يعني، من بين أمور أخرى، أن كيلوغرام النموذج الأولي سوف يتوقف عن استخدامه كنسخة طبق الأصل من الكيلوغرام. الثانية والمتر محددة بالفعل بهذه الطريقة.
وقد نشر عدد من المؤلفين انتقادات للتعريفات الغير مستعملة - بما في ذلك أن الاقتراح قد فشل في معالجة تأثير كسر الرابط بين تعريف الدالتون {11} وتعريفات الكيلوغرام، ومول وثابت أفرجادور.

الخلفية

المقال الرئيسي: تاريخ النظام المتري.
تم تطوير البنية الأساسية لـ SI حوالي 170 عامًا (1791 حتى 1960). منذ عام 1960 ، جعلت التطورات التكنولوجية من الممكن معالجة نقاط الضعف المختلفة في SI ، مثل الاعتماد على القطع الأثرية لتحديد الكيلوغرام.

حافز للتغيير

لا يعد تغيير المبادئ الأساسية وراء تعريف وحدات قاعدة SI سابقة. حددت CGPM الحادية عشر (1960) مقياس SI من حيث الطول الموجي لإشعاع الكريبتون 86 ، لتحل محل شريط متر ما قبل SI.
حل (CGPM 13 (1967) محل التعريف الأصلي للثاني (الذي كان يعتمد على الحساب الخلفي لدوران الأرض في عام 1900) مع تعريف يعتمد على تردد الإشعاع الصادر بين مستويين مفرطين من الحالة الأرضية من السيزيوم 133 ذرة. وحلت CGPM (1983).
في عام 1961 محل تعريف عام 1960 للمقياس مع واحد على أساس الثاني ، من خلال إعطاء تعريف دقيق لسرعة الضوء بوحدات متر في الثانية. 22
على مر السنين ، تم الكشف عن انجرافات تصل إلى 2 × 10-8 كيلوغراما سنويا في الكيلوغرامات النموذجية الوطنية نسبة إلى كيلوغرام النموذج الدولي.
لم تكن هناك طريقة لتحديد ما إذا كانت النماذج الأولية الوطنية قد اكتسبت كتلة أو ما إذا كان IPK قد فقد الكتلة. 23 في الاجتماع الحادي والعشرين للـ CGPM (1999) ، تم حث المختبرات الوطنية على البحث عن طرق لكسر الرابط بين الكيلوغرام والقطع اليدوية المحددة. ومنذ ذلك الحين ، حدد عالم المقاييس في جامعة نيوكاسل بيتر كمبولون امتصاص بخار الزئبق أو التلوث الكربوني كأسباب محتملة لهذا الانجراف. 24 25.
وبصرف النظر عن هذا الانجراف بعد أن تم تحديده ، فإن مشروع Avogadro وتطوير توازن Kibble (المعروف باسم "توازن الواط" قبل عام 2016) وعدا طرق لقياس كتلة بشكل غير مباشر بدقة عالية جدا. قدمت هذه المشاريع الأدوات التي من شأنها تمكين وسائل بديلة لإعادة تعريف الكيلوغرام. [26]
وأشار تقرير نشر في عام 2007 من قبل اللجنة الاستشارية لقياس درجة الحرارة (CCT) إلى CIPM إلى أن تعريفها الحالي لدرجة الحرارة أثبت أنه غير مرض بالنسبة لدرجات حرارة تقل عن 20 درجة كلفن ودرجات حرارة أعلى من 1300 درجة كل kن. ورأت اللجنة أن ثابت بولتزمان يوفر أساسًا أفضل لقياس درجة الحرارة مقارنة بالنقطة الثلاثية للمياه ، حيث أنها تغلبت على هذه الصعوبات. [27]
في اجتماعها الثالث والعشرين (2007) ، كلفت CGPM CIPM للتحقيق في استخدام الثوابت الطبيعية كأساس لجميع وحدات القياس بدلا من القطع الأثرية التي كانت تستخدم بعد ذلك. في العام التالي تم اعتماد هذا من قبل الاتحاد الدولي للفيزياء البحتة والتطبيقية [28].
(IUPAp.في اجتماع لـ CCU عقد في ريدينغ ، المملكة المتحدة ، في سبتمبر 2010 ، تم الاتفاق على قرار [29] ومسودة التغييرات في نشرة SI التي كانت ستعرض على الاجتماع القادم للجنة CIPM في أكتوبر 2010 من حيث المبدأ. [30] ووجد اجتماع CIPM في أكتوبر 2010 أن "الشروط التي حددها المؤتمر العام في اجتماعه الثالث والعشرين لم يتم الوفاء بها بالكامل بعد. [ملاحظة 2] ولهذا السبب لا يقترح CIPM تنقيح SI في الوقت الحالي" ؛ [32] ومع ذلك ، قدمت CIPM قرارًا للنظر فيه في اجتماع CGPM 24 (17-21 أكتوبر 2011) للموافقة على التعريفات الجديدة من حيث المبدأ ، ولكن ليس لتنفيذها حتى يتم الانتهاء من التفاصيل. [33] قبل المؤتمر هذا القرار ، [34] وبالإضافة إلى ذلك ، نقل CGPM موعد الاجتماع الخامس والعشرين من 2015 إلى 2014. [35]
في الاجتماع الخامس والعشرين (18-20 نوفمبر 2014) ، تبين أنه "على الرغم من [التقدم المحرز في المتطلبات الضرورية] ، فإن البيانات لا تبدو قوية بما فيه الكفاية بالنسبة إلى CGPM لاعتماد SI المعدل في اجتماعها الخامس والعشرين" ، [37] وبالتالي تأجيل المراجعة إلى الاجتماع التالي في عام 2018. هناك مشروع منقح لمشروع القرار A للنظر فيه في الاجتماع السادس والعشرين للـ [[CGPM. 38

التأثير على تعريف الوحدات الأساسية

أوصى مقترح CCU بتعديل نص تعاريف جميع الوحدات الأساسية أو إعادة كتابته ;بتغيير التركيز من وحدة صريحة إلى تعاريف من النوع الثابت.40
تحدد تعريفات نوع الوحدة الصريحة وحدة..: من حيث نموذج معين لهذه الوحدة - على سبيل المثال في 1324 ، عرّف إدوارد الثاني البوصة بأنها طول ثلاثة بارليكورن 41
ومنذ 1889 تم تعريف الكيلوغرام: بأنه كتلة الكيلوغرام الدولي. وهنالك تعريفات ثابتة صريحة بحيث يتم إعطاء قيمة ثابتة لقيمة محددة ويظهر تعريف الوحدة كنتيجة لذلك. على سبيل المثال ، في عام 1983 ، تم تعريف سرعة الضوء لتكون بالضبط 299792458 متر في الثانية ، وبما أن الثانية قد تم تعريفها بشكل مستقل ، يمكن بالتالي اشتقاق طول المتر.
ويرد أدناه التعاريف الحالية 22 (اعتبارا من 2018) واقترح 10 39 (المتوقع 2019) أدناه.

وحدة الثانية

التعريف المقترح للثاني: هو بالفعل نفس التعريف الحالي ، والفرق الوحيد هو أن الشروط التي ينطبق عليها تعريف التعريف أكثر دقة.
التعريف الحالي: والثاني هو مدة 9192631770 فترات من الإشعاع المقابلة للانتقال بين مستويي hyperfine من الحالة الأرضية للذرة السيزيوم 133.
تعريف مقترح: الرمز الثاني ، s ، هو وحدة SI للوقت؛ يتم تعريفه عن طريق أخذ القيمة العددية الثابتة لقيم ΔνCs لتواترالسيزيوم : وهو تردد انتقال فائق الدقة لظروف الحالة الأرضية في ذرة السيزيوم 133 ، ليكون 9192631770 عند التعبير عنه بوحدة Hz ، التي تساوي s 1.

وحدة المتر

إن التعريف المقترح للمقياس هو نفسه تمامًا مثل التعريف الحالي ، والفرق الوحيد هو أن الوحدة القياسية الإضافية في تعريف الثانية سوف تنتشر إلى المقياس.
التعريف الحالي:
المقياس: هو طول المسار المسير بالضوء في الفراغ خلال فاصل زمني لـ299792458

الكيلو غرام

يرجع تعريف الكيلوغرام إلى تغير جوهري
- يعرّف الكيلوغرام  :
على أنه كتلة الكيلوغرام الدولي الأول ، والذي هو عبارة عن قطعة أثرية وليست ثابتة للطبيعة {43}
في الوقت الحالي؛ يربطها بما يعادلها كتلة من طاقة الفوتون بالنظر إلى تردده ، عبر ثابت بلانك.
التعريف الحالي: الكيلوغرام هو وحدة الكتلة. إنها تساوي كتلة النموذج الدولي للكيلوغرام.
تعريف مقترح: الكيلوغرام ، الرمز kg ، هو وحدة SI للكتلة. يتم تعريفه عن طريق أخذ القيمة العددية الثابتة لـ ثابت بلانك h إلى 6.62607015 × 10−34 عندما يتم التعبير عنها في الوحدة J⋅s ، والتي تساوي kg⋅m2⋅s − 1 ، حيث يتم تحديد المتر والثاني من حيث c و ΔνCs.
من نتائج هذا التغيير أن التعريف الجديد للكيلوغرام يعتمد على تعريفات الثانية والمتر.

وحدة كانديلا

التعريف المقترح للوحدة كانديلا هو نفس التعريف الحالي ، مع الاختلاف الوحيد هو أن الشيء الإضافي في تعريف الثانية والمتر سوف تنتشر إلى الشمعة.
التعريف الحالي:
الشمعة ؛ هي الشدة المضيئة ، في اتجاه معين ، لمصدر يصدر إشعاعًا أحادي اللون بتردد 540 × 1012 هرتز ويكون له كثافة إشعاعية في ذلك الاتجاه.
1/638 واط .
بينما تعريف مقترح: إن {كانديلا} ،يرمز لها {cd} ، هو وحدة SI من شدة الإضاءة في اتجاه معين. يتم تعريفه من خلال أخذ القيمة العددية الثابتة للفعالية المضيئة للإشعاع أحادي اللون من التردد 540 × 1012 هرتز ، كدك ، لتكون 683 عند التعبير عنها في الوحدة lm⋅W − 1 ، والتي تساوي cd⋅sr⋅W − 1 أو cd⋅sr⋅kg − 1⋅m − 2⋅s3 ، حيث يتم تعريف الكيلوغرام والمتر والثاني من حيث h و c و ΔνCs.

التاثير على إعادة إنتاج الوحدات الأساسية

ملاحظة {4} {49} ، سيتم تعريف جميع الوحدات الأساسية من حيث الثوابت الفيزيائية العامة ، ولكن بدون روابط مباشرة بين الثوابت ووحدات القاعدة. وبالتالي ستكون هناك حاجة لستة ثوابت فيزيائية لتحديد الوحدات الأساسية الست.
تم تصميم SI لأول مرة ، كان هناك أكثر من ستة ثوابت فيزيائية مناسبة يمكن للمصممين الاختيار من بينها. على سبيل المثال ، بمجرد تحديد الطول والوقت ، يمكن استخدام ثابت الجاذبية العالمي G ، من وجهة نظر الأبعاد ، لتحديد الكتلة.
[ملاحظة 5] تجدر الإشارة إلى أنه من الناحية العملية ، لا يمكن قياس G إلا بقياس نسبي. عدم اليقين في ترتيب (10-5).
[ملاحظة 6] التي كان من الممكن أن تؤدي إلى الحد الأعلى من قابلية تكرار الكيلوغرام في حوالي 10-5 ، في حين أن الكيلوغرام الدولي الحالي يمكن قياسه باحتساب 1.2 × 10−8. ]
وقد تم اختيار الثوابت الفيزيائية على أساس الحد الأدنى مع عدم الارتباط بقياس الثابت ودرجة استقلال الثابت بالنسبة للثوابت الأخرى التي كانت تستخدم. وعلى الرغم من أن BIPM قد طور معيار mise en pratique (تقنية عملية) لكل نوع من أنواع القياس ، فإن mise en pratique المستخدم لجعل القياس ليس جزءًا من تعريف القياس - إنه مجرد تأكيد بأن القياس يمكن أن يكون يتم دون تجاوز الحد الأقصى المحدد مع عدم التاكيد.

وحدة القياس دالتون

في عام 1993 ، وافق الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) على استخدام الدالتون كبديل لوحدة الكتلة الذرية الموحدة مع المؤهلات التي لم تعطها CGPM. وقد تم منح هذه الموافقة منذ ذلك الحين. {52} بعد اقتراح إعادة تعريف وحدة المول من خلال تحديد قيمة ثابت أفوغادرو ، اقترح بريان ليونارد من جامعة أكرون ، كتابة في Metrologia أن يعاد تعريف دالتون (دا) بحيث NA = (g / Da) mol − 1 ، ولكن أن وحدة الكتلة الذرية الموحدة (مو) تحتفظ بتعريفها الحالي على أساس الكتلة من 12C ، والتوقف عن تساوي بالضبط دالتون. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى دالتون ويمكن أن تختلف وحدة الكتلة الذرية عن بعضها البعض مع عدم يقين نسبي من ترتيب 10-10. [53]

قياس Avogadro

عندما تم الإبلاغ عن حجم الاختلاف بين IPK والنماذج الأولية للكيلوغرام الوطني في عام 2005 ، نشأ نقاش حول أفضل طريقة لإعادة تعريف الكيلوغرام - هل يجب تحديد الكيلوغرام من حيث كتلة ذرة السيليكون -28 ؟!أو يجب تحديدها باستخدام الرصيد Kibble؟!
يمكن تحديد كتلة ذرة السيليكون باستخدام مشروع Avogadro واستخدام رقم Avogadro أن ترتبط مباشرة بالكيلوغرام.63
كما تم الإعراب عن القلق من أن واضعي الاقتراح قد فشلوا في معالجة تأثير كسر الرابطة بين الخلد والكيلوغرام والدالون (دا) وثابت أفوغادرو (ملاحظة رقم N).
لمجرد أن الخلد ليس وحدة فيزيائية حقيقية ، ولكن ، على حد تعبير الفيلسوف السويدي يوهانسون ، يعتبر الخلد "عامل تحجيم". 59 64
يعرّف كتيب SI (الطبعة الثامنة) الدالتون من حيث كتلة ذرة 12C: وهو يحدد ثابت أفوغادرو من حيث هذه الكتلة والكيلوغرام ، مما يجعله يحدد بالتجربة يعمل هذا المقترح على إصلاح ثابت أفوغادرو ، ويحتفظ مسودة كتيب SI التاسع 10 بتعريف دالتون من حيث 12C ، مع التأثير على كسر الرابط بين الدالتون والكيلوغرام.65 66

كثافة مضيئة

يجادل فوستر بأن "كثافة الضوء [الشمعة] ليست كمية فيزيائية ، ولكن كمية ضوئية موجودة في الإدراك البشري" ، وبالتالي تتساءل عما إذا كان ينبغي أن تكون الشمعة وحدة أساسية. 59