Redefinisi satuan pokok SI 2019

Pada tahun 2019, satuan pokok SI didefinisikan ulang, dan berlaku setelah hari peringatan ke-144 Konvensi Meter, yaitu mulai pada tanggal 20 Mei 2019. Pada redefinisi tersebut, empat dari tujuh satuan pokok SI (kilogram, ampere, kelvin, dan mol) akan didefinisikan ulang dengan menetapkan nilai numerik yang tepat untuk maisng-masing konstanta Planck (), muatan listrik partikel (), konstanta Boltzmann (), dan konstanta Avogadro (). Detik, meter dan kandela telah didefinisikan melalui konstanta fisika, meskipun definisi mereka masih mengalami perbaikan. Definisi baru ini bertujuan untuk memperbaiki sistem SI tanpa mengubah nilai dari satuan apa pun, sehingga memastikan kontinuitasnya dengan pengukuran yang ada. Pada 16 November 2018, Konferensi Umum untuk Ukuran dan Timbangan (CGPM) ke-26 dengan suara bulat menyetujui perubahan ini, di mana Komite Internasional untuk Ukuran dan Timbangan (CIPM) telah mengusulkan redefinisi ini sejak awal tahun tersebut setelah memastikan bahwa syarat yang telah disepakati sebelumnya untuk perubahan definisi telah terpenuhi. Kondisi ini dapat terpenuhi berkat serangkaian percobaan untuk mengukur konstanta dengan tingkat akurasi tinggi yang relatif terhadap definisi SI lama, dan merupakan puncak dari penelitian selama beberapa dekade.

Perubahan besar atas sistem metrik sebelumnya terjadi pada tahun 1960 ketika Sistem Satuan Internasional (SI) dipublikasikan secara resmi. Pada saat itu, meter didefinisikan ulang dengan mengubah definisi berupa meter prototipe menjadi definisi oleh panjang gelombang tertentu dari garis spektrum yang dihasilkan oleh radiasi kripton-86, yang membuat meter memiliki definisi yang merupakan turunan dari fenomena alam universal. Meter didefinisikan ulang lagi pada tahun 1983 dengan menetapkan nilai kecepatan cahaya, menurunkannya pada definisi meter. Definisi tersebut tetap berlaku hingga tahun 2019. Kilogram tetap didefinisikan oleh sebuah prototipe fisik, menjadikan prototipe tersebut sebagai satu-satunya artefak yang menjadi dasar dari definisi satuan SI. Hingga saat ini, sistem SI, sebagai sistem yang koheren, ditetapkan berdasarkan tujuh satuan pokok, di mana keistimewaan tersebut digunakan untuk menjabarkan semua satuan lainnya. Dengan redefinisi 2019, sistem SI disusun berdasarkan tujuh konstanta pendefinisi, yang memungkinkan semua satuan dibangun langsung dari konstanta ini. Konsep dari satuan pokok masih tetap dipertahankan tetapi tidak lagi penting untuk mendefinisikan ukuran SI.

Sistem metrik pada awalnya dipahami sebagai sistem pengukuran yang dapat diturunkan dari fenomena yang tidak berubah, namun adanya keterbatasan praktis (seperti patokan ukuran satuan) mengharuskan ilmuwan dunia menggunakan artefak (prototipe meter dan prototipe kilogram) ketika sistem metrik pertama kali diperkenalkan di Prancis pada tahun 1799. Meskipun dirancang untuk tetap stabil untuk waktu yang lama, massa prototipe kilogram dan salinan sekundernya telah menunjukkan variasi kecil di antara satu sama lain seiring berjalannya waktu. Alasannya karena prototipe tersebut mengalami degradasi atau peluruhan sehingga prototipe ini kehilangan massa dalam jumlah sangat kecil dari waktu ke waktu, bahkan di ruang tertutup mereka. Perubahan dalam massa, dan bersama dengan nilai-nilai yang disediakan oleh artefak ini, sangat kecil sehingga tidak terlihat tanpa peralatan yang paling sensitif. Namun, dengan logika yang sama, instrumen-instrumen sensitif tersebut tidak bisa lagi memberikan pengukuran yang tepat, atau setidaknya tidak dalam tingkat toleransi yang dapat diterima. Karena artefak sering kali dianggap tidak memadai untuk mencapai tingkat akurasi yang diperlukan oleh sains, ilmuwan berusaha untuk melakukan pencarian untuk mendapat pengganti yang cocok. Ada juga definisi dari beberapa satuan yang ditentukan oleh pengukuran yang sulit diukur dengan tepat di laboratorium, seperti kelvin yang didefinisikan oleh titik tripel air. Dengan redefinisi 2019, SI sepenuhnya diturunkan dari fenomena alam dengan sebagian besar satuan didasarkan pada konstanta fisika dasar.

Sejumlah penulis telah mengeluarkan kritiknya terhadap definisi yang direvisi tersebut, termasuk bahwa proposal tersebut telah gagal untuk mengatasi dampak pemutusan hubungan antara definisi dalton dan definisi kilogram, mol, serta konstanta Avogadro .

Latar belakang 

Struktur dasar dari SI dikembangkan selama lebih dari periode sekitar 170 tahun (1791 hingga 1960). Sejak tahun 1960, kemajuan teknologi membuatnya mungkin untuk mengatasi berbagai kelemahan dalam SI, seperti dependensi pada artefak untuk mendefinisikan kilogram.

Redefinisi 

Menyusul keberhasilan redefinisi dari satuan meter pada tahun 1983 berdasarkan nilai numerik yang tepat untuk kecepatan cahaya, Komite Konsultatif Satuan (CCU) BIPM merekomendasikan, dan BIPM mengusulkan, bahwa empat konstanta alam lebih lanjut harus didefinisikan untuk memiliki nilai yang tepat. Konstanta tersebut antara lain:

 Konstanta Planck  adalah persis .
 Muatan elementer  adalah persis .
 Konstanta Boltzmann  adalah persis .
 Konstanta Avogadro  adalah persis .

Konstanta ini dijelaskan dalam versi tahun 2006 dari manual SI, tetapi dalam versi tersebut, tiga definisi terakhir didefinisikan sebagai "konstanta yang diperoleh dengan eksperimen" daripada sebagai "konstanta pendefinisi".

Definisi baru mempertahankan nilai-nilai numerik tak berubah yang terkait dengan konstanta alam berikut:

 Kecepatan cahaya  adalah persis .
 Keadaan dasar frekuensi transisi struktur hiperhalus dari atom sesium-133  adalah persis .
 Efikasi cahaya  dari frekuensi radiasi monokromatik  adalah persis .

Ketujuh definisi di atas ditulis ulang di bawah ini dengan satuan turunan (joule, coulomb, hertz, lumen dan watt) dinyatakan dalam tujuh satuan pokok (detik, meter, kilogram, ampere, kelvin, mol, dan candela), sesuai dengan edisi 9 yang diperbarui dari Brosur SI (2018). Dalam daftar berikut, simbol sr adalah singkatan dari satuan tak berdimensi steradian.

  = 
  = 
  = 
  = 
  = 
  =  = 
  = 

Sebagai bagian dari definisi baru ini, prototipe kilogram internasional dipensiunkan dan definisi satuan kilogram, ampere, dan kelvin diganti. Sementara itu definisi untuk satuan mol direvisi.

Perubahan ini berakibat pada pendefinisian ulang satuan pokok SI, meskipun definisi satuan SI yang diturunkan dari satuan pokok tetap sama.

Dampak pada definisi satuan pokok 
Mengikuti proposal CCU, tulisan definisi dari semua satuan pokok akan disempurnakan atau ditulis ulang melalui perubahan penekanan dari definisi jenis satuan secara eksplisit menuju definisi jenis konstanta secara eksplisit. Definisi jenis satuan secara eksplisit mendefinisikan satuan menggunakan contoh spesifik dari satuan itu – misalnya pada tahun 1324 Edward II mendefinisikan satuan inci sebagai panjang dari tiga barleycorn dan sejak 1889 kilogram telah didefinisikan sebagai massa Prototipe Kilogram Internasional. Dalam definisi jenis konstanta secara eksplisit, sifat konstan diberikan dengan nilai tertentu dan definisi satuan akan muncul sebagai konsekuensinya. Sebagai contoh, pada tahun 1983, kecepatan cahaya didefinisikan tepatnya bernilai  meter per detik dan, karena detik telah didefinisikan secara tersendiri, panjang meter dapat diturunkan.

Definisi sebelumnya () dan definisi baru (mulai 2019) dijelaskan di bawah ini.

Detik 
Definisi baru detik secara efektif sama dengan definisi yang sebelumnya, satu-satunya perbedaan disini adalah bahwa kondisi pemberlakuan definisi tersebut dijabarkan secara lebih ketat.
 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 

Detik dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 s = .

Meter 
Definisi baru meter secara efektif sama dengan yang sebelumnya, satu-satunya perbedaan adalah bahwa ketelitian tambahan dalam definisi satuan detik memengaruhi satuan meter.
 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 

Meter dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 m =  = .

Kilogram 

Definisi kilogram berubah secara fundamental. Definisi sebelumnya menjabarkan kilogram sebagai massa kilogram prototipe internasional, yang merupakan artefak dan bukan konstanta alam. Definisi baru menghubungkan kilogram dengan massa ekuivalen pada energi dari suatu foton yang diketahui frekuensinya, melalui konstanta Planck.
 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 
 
Konsekuensi dari perubahan ini adalah bahwa definisi baru kilogram bergantung pada definisi dari detik dan meter.

Sebagai ilustrasi, redefinisi yang diusulkan sebelumnya yang setara dengan definisi 2019 ini adalah: "Kilogram adalah massa suatu benda diam yang memiliki energi ekuivalen sama dengan energi kumpulan foton yang frekuensinya mencapai [] hertz."

Kilogram dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 kg =  = .

Kemudian, diturunkan menjadi:
 1 J s =  = 

 1 J =  = 

 1 W =  = 

 1 N =  =

Ampere 
Definisi ampere mengalami perubahan besar. Definisi sebelumnya, yang sulit diukur dengan ketepatan tinggi dalam praktiknya, digantikan oleh definisi yang lebih intuitif dan lebih mudah untuk diukur.
 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 

Ampere dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 A =  = .

Sebagai ilustrasi, definisi tersebut dapat pula mendefinisikan satu coulomb sebagai kelipatan tetap yang spesifik dari muatan partikel.
 1 C =  = 

Karena definisi sebelumnya mengandung referensi untuk gaya, yang memiliki dimensi MLT−2, maka dalam SI sebelumnya, kilogram, meter, dan detik, satuan pokok yang mewakili dimensi-dimensi tersebut, harus didefinisikan sebelum ampere dapat didefinisikan. Konsekuensi lain dari definisi sebelumnya adalah bahwa dalam SI, nilai dari permeabilitas vakum () bernilai tetap atau "eksak" pada . Karena kecepatan cahaya dalam vakum () juga bernilai tetap, maka besaran-besaran dapat membentuk persamaan:

dengan permitivitas vakum () yang bernilai tetap, dan persamaan:

dengan impedansi ruang hampa () yang juga bernilai tetap.

Konsekuensi dari definisi yang telah direvisi tersebut adalah bahwa ampere tidak lagi bergantung pada definisi kilogram dan meter, tetapi masih bergantung pada definisi detik. Selain itu, nilai-nilai numerik dari permeabilitas vakum, permitivitas vakum, dan impedansi ruang hampa, yang bernilai eksak sebelum definisi baru, mengalami galat eksperimental setelah redefinisi. Sebagai contoh, nilai numerik permeabilitas vakum memiliki ketidakpastian relatif yang sama dengan nilai eksperimental dari konstanta struktur halus . Nilai CODATA 2018 untuk ketidakpastian baku relatif dari  adalah 

Definisi ampere kemudian diturunkan menjadi nilai eksak untuk:
 1 V = 1 J/C =  = 

 1 Wb = 1 V s =  = 

 1 Ω = 1 V/A = 1 Wb/C =  =

Kelvin 
Definisi satuan kelvin mengalami perubahan mendasar. Daripada menggunakan titik tripel air untuk memperbaiki skala suhu, definisi baru menggunakan energi yang setara seperti diberikan oleh persamaan Boltzmann.
 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 

Salah satu konsekuensi dari perubahan ini adalah bahwa definisi baru kelvin bergantung pada definisi detik, meter, dan kilogram.

Kelvin dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 K =  = .

Mol 

Definisi mol saat ini menghubungkannya dengan kilogram. Definisi yang diperbaiki memecahkan hubungan tersebut dengan membuat mol sejumlah tertentu dari zat yang dimaksud.
 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 

Mol dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 mol =  = .

Salah satu konsekuensi dari perubahan ini adalah bahwa hubungan yang didefinisikan sebelumnya antara massa atom , dalton atau satuan massa atom (sma), kilogram, dan bilangan Avogadro tidak lagi berlaku. Salah satu dari hal berikut harus berubah:
 Massa dari suatu atom  harus persis 12 sma.
 Jumlah sma pada satu gram adalah nilai numerik eksak dari bilangan Avogadro.

Perkataan dari Brosur SI ke-9 menyiratkan bahwa pernyataan pertama tetap berlaku, yang berarti bahwa pernyataan kedua tidak lagi benar. Meskipun konstanta massa molar dengan tingkat akurasi tinggi masih bernilai , konstanta tersebut tidak lagi bernilai persis seperti itu. Draft Resolusi A, yang dipilih melalui pemungutan suara pada CGPM ke-26, hanya menyatakan bahwa "massa molar karbon-12, M (12C), sama dengan  dalam ketidakpastian baku relatif yang sama dengan nilai  yang disarankan pada saat resolusi ini diadopsi, yaitu , dan bahwa di masa depan nilai tersebut akan didefinisikan secara eksperimental", tanpa menyebutkan hal apa pun tentang dalton dan konsisten dengan pernyataan pertama.

Kandela 
Definisi baru kandela secara efektif sama dengan definisi saat ini, dengan satu-satunya perbedaan adalah bahwa ketelitian tambahan dalam definisi detik dan meter memengaruhi nilai kandela.

 Definisi sebelumnya: 
 Definisi 2019: 

Kandela dapat dirumuskan secara langsung berdasarkan konstan pendefinisi menjadi:
 1 cd =  =  =

Penerimaan 
Sebagian besar pekerjaan yang dilakukan oleh CIPM didelegasikan kepada komite konsultatif. Komite Konsultatif CIPM untuk Satuan (CCU) telah membuat perubahan yang diusulkan sementara komite lain telah memeriksa proposal tersebut secara rinci dan telah membuat rekomendasi mengenai penerimaan mereka oleh CGPM pada tahun 2014. Berbagai komite konsultasi telah menetapkan sejumlah kriteria yang harus dipenuhi sebelum mereka akan mendukung proposal CCU tersebut, termasuk:
 Untuk definisi baru kilogram, setidaknya tiga eksperimen terpisah dilakukan menghasilkan nilai untuk konstanta Planck yang memiliki perluasan (95%) ketidakpastian relatif untuk tidak lebih dari  dan setidaknya satu dari nilai-nilai ini harus lebih baik daripada . Baik timbangan Kibble dan proyek Avogadro harus dimasukkan dalam eksperimen ini dan setiap perbedaan di antara keduanya dapat direkonsiliasi.
 Untuk definisi baru kelvin, ketidakpastian relatif konstanta Boltzmann yang diturunkan dari dua metode yang berbeda secara fundamental seperti termometri gas akustik dan termometri gas konstanta dielektrik menjadi lebih baik daripada 10−6 dan bahwa nilai-nilai ini dikuatkan oleh pengukuran lainnya.

Pada Maret 2011, kelompok Koordinasi Avogadro Internasional (IAC) telah memperoleh ketidakpastian  dan NIST mendapat ketidakpastian sebesar  dalam pengukuran mereka.

Pada 1 September 2012 Institut Asosiasi Metrologi Nasional Eropa (EURAMET) meluncurkan proyek formal untuk mengurangi perbedaan relatif antara timbangan Kibble dan pendekatan bola silikon untuk mengukur kilogram dari  menjadi dalam .

 definisi baru yang diusulkan dikenal sebagai "SI Baru" (New SI), tetapi Mohr, dalam sebuah makalah yang mengikuti proposal CGPM tetapi mendahului proposal formal CCU, menyarankan bahwa karena sistem yang diusulkan memanfaatkan fenomena skala atomik dan bukan fenomena makroskopik, sistem ini seharusnya disebut sebagai "Sistem SI Kuantum".

Pada 2014, CODATA merekomendasikan nilai konstanta fisika dasar (diterbitkan pada tahun 2016, menggunakan data yang dikumpulkan hingga akhir 2014), semua pengukuran memenuhi persyaratan CGPM dan alurnya jelas untuk dilanjutkan dengan definisi baru ini yang akan ditetapkan dalam pertemuan empat tahunan CGPM berikutnya di akhir 2018.

Pada tanggal 20 Oktober 2017, pertemuan ke-106 Komite Internasional untuk Timbangan dan Ukuran (CIPM) secara resmi menerima revisi Draft Resolusi A yang menyerukan definisi baru SI, untuk dilakukan pemungutan suara pada CGPM ke-26, Hari yang sama, sebagai tanggapan atas dukungan CIPM terhadap nilai akhir, Kelompok Tugas CODATA pada Konstanta Dasar menerbitkan nilai-nilai yang direkomendasikan tahun 2017 untuk empat konstanta (dengan ketidakpastiannya) dan nilai numerik yang diusulkan untuk definisi baru (tanpa ketidakpastian). Pemungutan suara, yang diselenggarakan pada 16 November 2018 di GCPM ke-26, menghasilkan suara bulat dari semua perwakilan nasional yang hadir yang mendukung proposal yang direvisi. Definisi baru ini akan berlaku efektif pada 20 Mei 2019.

Lihat pula 
 Sistem Satuan Internasional
 Metrologi
 Konstanta fisika
 Satuan pokok SI

Referensi

Bacaan lebih lanjut

Pranala luar 
  Situs web BIPM mengenai SI Baru, termasuk sebuah laman FAQ.

Satuan SI
Sains dalam tahun 2018
Definisi