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2019 redefinición de las unidades básicas del SI

El sistema SI después de la definición de 2019: unidades base definidas en términos de constantes físicas y otras unidades base. Aquí, la media se utiliza en la definición de .
El sistema SI después de 1983, pero antes de la redefinición de 2019: definiciones de unidades base en términos de otras unidades base (por ejemplo, el metro se define como la distancia recorrida por la luz en una fracción específica de segundo ), con las constantes de la naturaleza y artefactos utilizados para definirlos (como la masa del IPK para el kilogramo y el punto triple del agua para el kelvin).

En 2019, cuatro de las siete unidades básicas del SI especificadas en el Sistema Internacional de Cantidades se redefinieron en términos de constantes físicas naturales, en lugar de artefactos humanos como el kilogramo estándar . [1] [2] A partir del 20 de mayo de 2019, el 144.º aniversario de la Convención del Metro , el kilogramo , el amperio , el kelvin y el mol ahora se definen estableciendo valores numéricos exactos, cuando se expresan en unidades SI, para la constante de Planck ( h ). , la carga eléctrica elemental ( e ), la constante de Boltzmann ( k B ) y la constante de Avogadro ( N A ), respectivamente. El segundo , el metro y la candela se habían redefinido previamente utilizando constantes físicas . Las cuatro nuevas definiciones tenían como objetivo mejorar el SI sin cambiar el valor de ninguna unidad, asegurando la continuidad con las mediciones existentes. [3] [4] En noviembre de 2018, la 26ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) aprobó por unanimidad estos cambios, [5] [6] que el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) había propuesto a principios de ese año después de determinar que se habían cumplido las condiciones previamente acordadas para el cambio. [7] : 23  Estas condiciones se cumplieron mediante una serie de experimentos que midieron las constantes con gran precisión en relación con las antiguas definiciones del SI, y fueron la culminación de décadas de investigación.

El anterior cambio importante del sistema métrico se produjo en 1960, cuando se publicó formalmente el Sistema Internacional de Unidades (SI). En este momento se redefinió el metro: se cambió la definición del prototipo del medidor a un cierto número de longitudes de onda de una línea espectral de una radiación de criptón-86 , haciéndolo derivable de los fenómenos naturales universales. [Nota 1] El kilogramo permaneció definido por un prototipo físico, dejándolo como el único artefacto del que dependen las definiciones de unidades SI. En ese momento, el SI, como sistema coherente , se construyó alrededor de siete unidades básicas , cuyas potencias se utilizaron para construir todas las demás unidades. Con la redefinición de 2019, el SI se construye en torno a siete constantes definitorias , lo que permite construir todas las unidades directamente a partir de estas constantes. La designación de las unidades básicas se conserva, pero ya no es esencial para definir las unidades SI. [4]

El sistema métrico se concibió originalmente como un sistema de medición derivable de fenómenos inmutables, [8] pero limitaciones prácticas requirieron el uso de artefactos (el prototipo del metro y el prototipo del kilogramo ) cuando el sistema métrico se introdujo en Francia en 1799. Aunque fue diseñado para ofrecer estabilidad a largo plazo, las masas del kilogramo prototipo y sus copias secundarias han mostrado pequeñas variaciones entre sí a lo largo del tiempo; Se cree que no son adecuados para la precisión cada vez mayor que exige la ciencia, lo que llevó a la búsqueda de un reemplazo adecuado. Las definiciones de algunas unidades se definieron mediante mediciones que son difíciles de realizar con precisión en un laboratorio, como el kelvin , que se definió en términos del punto triple del agua . Con la redefinición de 2019, el SI pasó a ser totalmente derivable a partir de fenómenos naturales y la mayoría de las unidades se basan en constantes físicas fundamentales .

Varios autores han publicado críticas a las definiciones revisadas; sus críticas incluyen la premisa de que la propuesta no abordó el impacto de romper el vínculo entre la definición del dalton [Nota 2] y las definiciones del kilogramo, el mol y la constante de Avogadro .

Fondo

La estructura básica del SI se desarrolló durante unos 170 años, entre 1791 y 1960. Desde 1960, los avances tecnológicos han hecho posible abordar debilidades del SI, como la dependencia de un artefacto físico para definir el kilogramo.

Desarrollo del SI

Durante los primeros años de la Revolución Francesa , los líderes de la Asamblea Nacional Constituyente francesa decidieron introducir un nuevo sistema de medición que se basaba en los principios de la lógica y los fenómenos naturales. El metro se definió como la diezmillonésima parte de la distancia entre el polo norte y el ecuador y el kilogramo como la masa de una milésima de metro cúbico de agua pura. Aunque estas definiciones se eligieron para evitar la propiedad de las unidades, no se pudieron medir con suficiente comodidad o precisión para que fueran de uso práctico. En cambio, se crearon realizaciones en forma de mètre des Archives y kilogram des Archives que fueron el "mejor intento" de cumplir estos principios. [9]

Hacia 1875, el uso del sistema métrico se había generalizado en Europa y América Latina ; Ese año, veinte naciones industrialmente desarrolladas se reunieron para la Convención del Metro , que condujo a la firma del Tratado del Metro , en virtud del cual se crearon tres organismos para hacerse cargo de los prototipos internacionales del kilogramo y del metro, y para regular las comparaciones con prototipos nacionales. [10] [11] Eran:

La 1.ª CGPM (1889) aprobó formalmente el uso de 40 prototipos de metros y 40 prototipos de kilogramos fabricados por la firma británica Johnson Matthey como estándares exigidos por la Convención del Metro. [13] Los prototipos Metro No. 6 y Kilogramo KIII fueron designados como el prototipo internacional del metro y del kilogramo, respectivamente; la CGPM conservó otras copias como copias de trabajo, y el resto se distribuyó a los estados miembros para su uso como prototipos nacionales. Aproximadamente una vez cada 40 años, los prototipos nacionales se compararon y recalibraron con el prototipo internacional. [14]

En 1921 se revisó la Convención del Metro y se amplió el mandato de la CGPM para proporcionar estándares para todas las unidades de medida, no sólo de masa y longitud. En los años siguientes, la CGPM asumió la responsabilidad de proporcionar estándares de corriente eléctrica (1946), luminosidad (1946), temperatura (1948), tiempo (1956) y masa molar (1971). [15] La novena CGPM en 1948 encargó al CIPM "que hiciera recomendaciones para un único sistema práctico de unidades de medida, adecuado para su adopción por todos los países que se adhirieran a la Convención del Metro". [16] Las recomendaciones basadas en este mandato fueron presentadas a la 11ª CGPM (1960), donde fueron aceptadas formalmente y recibieron el nombre de " Système International d'Unités " y su abreviatura "SI". [17]

Impulso para el cambio

Existe un precedente para cambiar los principios subyacentes detrás de la definición de las unidades básicas del SI; el 11.º CGPM (1960) definió el metro SI en términos de la longitud de onda de la radiación de criptón-86 , reemplazando la barra del medidor anterior al SI, y el 13.º CGPM (1967) reemplazó la definición original del segundo , que se basaba en el promedio de la Tierra. rotación de 1750 a 1892, [18] con una definición basada en la frecuencia de la radiación emitida o absorbida con una transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133 . La 17.ª CGPM (1983) sustituyó la definición de metro de 1960 por una basada en el segundo al dar una definición exacta de la velocidad de la luz en unidades de metros por segundo . [19]

Deriva masiva a lo largo del tiempo de los prototipos nacionales K21–K40 , más dos de las copias hermanas del prototipo internacional : K32 y K8(41). [Nota 3] Todos los cambios de masa son relativos al IPK. [20]

Desde su fabricación, derivas de hastaSe han detectado 2 × 10 −8 kilogramos (20 μg) por año en el prototipo nacional de kilogramos con respecto al prototipo internacional del kilogramo (IPK). No había forma de determinar si los prototipos nacionales estaban ganando masa o si el IPK estaba perdiendo masa. [21] El metrólogo de la Universidad de Newcastle, Peter Cumpson, ha identificado desde entonces la absorción de vapor de mercurio o la contaminación carbonosa como posibles causas de esta deriva. [22] [23] En la 21ª reunión de la CGPM (1999), se instó a los laboratorios nacionales a investigar formas de romper el vínculo entre el kilogramo y un artefacto específico.

Los metrólogos investigaron varios enfoques alternativos para redefinir el kilogramo basándose en constantes físicas fundamentales. Entre otros, el proyecto Avogadro y el desarrollo de la balanza Kibble (conocida hasta 2016 como "balanza de vatios") prometieron métodos para medir la masa indirectamente con una precisión muy alta. Estos proyectos proporcionaron herramientas que permiten medios alternativos para redefinir el kilogramo. [24]

Un informe publicado en 2007 por el Comité Consultivo de Termometría (CCT) al CIPM señaló que su definición actual de temperatura ha demostrado ser insatisfactoria para temperaturas inferiores20 K y para temperaturas superiores1300K . El comité consideró que la constante de Boltzmann proporcionaba una mejor base para medir la temperatura que el punto triple del agua porque superaba estas dificultades. [25]

En su 23ª reunión (2007), la CGPM encargó al CIPM que investigara el uso de constantes naturales como base para todas las unidades de medida en lugar de los artefactos que estaban en uso en ese momento. Al año siguiente, esto fue respaldado por la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP). [26] En una reunión del CCU celebrada en Reading, Reino Unido , en septiembre de 2010, se acordó una resolución [27] y un borrador de cambios al folleto de SI que debían presentarse en la próxima reunión del CIPM en octubre de 2010. en principio. [28] La reunión del CIPM de octubre de 2010 concluyó que "las condiciones fijadas por la Conferencia General en su 23ª reunión aún no se han cumplido plenamente. [Nota 4] Por esta razón el CIPM no propone una revisión de la IS en este momento ". [30] Sin embargo, el CIPM presentó una resolución para su consideración en la 24ª CGPM (17-21 de octubre de 2011) para aceptar las nuevas definiciones en principio, pero no implementarlas hasta que se hubieran ultimado los detalles. [31] Esta resolución fue aceptada por la conferencia, [32] y además la CGPM adelantó la fecha de la 25ª reunión de 2015 a 2014. [33] [34] En la 25ª reunión del 18 al 20 de noviembre de 2014, Se constató que "a pesar de [los avances en los requisitos necesarios] los datos aún no parecen ser lo suficientemente sólidos para que la CGPM adopte el SI revisado en su 25ª reunión", [35] posponiendo así la revisión a la próxima reunión en 2018. En 2017 se dispuso de mediciones lo suficientemente precisas para cumplir las condiciones y la redefinición [36] se adoptó en la 26.ª CGPM (13 a 16 de noviembre de 2018).

Definiendo constantes

Tras la exitosa redefinición del metro en 1983 en términos de un valor numérico exacto para la velocidad de la luz, el Comité Consultivo de Unidades (CCU) del BIPM recomendó y el BIPM propuso que se definieran cuatro constantes más de la naturaleza para tener valores exactos. Estos son: [Nota 5]

La redefinición mantiene sin cambios los valores numéricos asociados con las siguientes constantes de la naturaleza:

Las siete constantes que definen el SI arriba, expresadas en términos de unidades derivadas ( julio , culombio , hercio , lumen y vatio ), se reescriben a continuación en términos de las siete unidades básicas (segundo, metro, kilogramo, amperio, kelvin, mol y candela); [4] también se utiliza la unidad adimensional estereorradián (símbolo sr):

Como parte de la redefinición, se retiró el Prototipo Internacional del Kilogramo y se reemplazaron las definiciones de kilogramo, amperio y kelvin. Se revisó la definición de topo . Estos cambios tienen el efecto de redefinir las unidades básicas del SI, aunque las definiciones de las unidades derivadas del SI en términos de unidades básicas siguen siendo las mismas.

Impacto en las definiciones de unidades base

Siguiendo la propuesta de CCU, los textos de las definiciones de todas las unidades base fueron refinados o reescritos, cambiando el énfasis de definiciones de tipo explícito de unidad a definiciones de tipo explícito de constante. [38] Las definiciones explícitas de tipo de unidad definen una unidad en términos de un ejemplo específico de esa unidad; por ejemplo, en 1324 Eduardo II definió la pulgada como la longitud de tres granos de cebada , [39] y de 1889 a 2019 el kilogramo se definió como la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo. En las definiciones de constantes explícitas, a una constante de la naturaleza se le da un valor específico y, como consecuencia, surge la definición de la unidad; por ejemplo, en 2019, la velocidad de la luz se definió exactamente como299 792 458 metros por segundo. La longitud del metro se pudo derivar porque el segundo ya se había definido de forma independiente. Las definiciones anteriores [19] y 2019 [4] [37] se dan a continuación.

Segundo

La nueva definición del segundo es efectivamente la misma que la anterior, con la única diferencia de que las condiciones bajo las cuales se aplica la definición están definidas de manera más rigurosa.

El segundo puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias:

1 s =9 192 631 770/Δ ν Cs.

Metro

La nueva definición del metro es efectivamente la misma que la anterior, con la única diferencia de que el rigor adicional en la definición del segundo se propagó al metro.

El metro se puede expresar directamente en términos de las constantes que lo definen:

1 metro =9 192 631 770/299 792 458C/Δ ν Cs.

Kilogramo

Una balanza Kibble , que se utilizaba para medir la constante de Planck en términos del prototipo internacional del kilogramo. [40]

La definición del kilogramo cambió fundamentalmente de un artefacto (el Prototipo Internacional del Kilogramo ) a una constante de la naturaleza. [41] La nueva definición relaciona el kilogramo con la masa equivalente de la energía de un fotón en una frecuencia específica.

A modo de ilustración, una redefinición propuesta anteriormente que es equivalente a esta definición de 2019 es: "El kilogramo es la masa de un cuerpo en reposo cuya energía equivalente es igual a la energía de un conjunto de fotones cuyas frecuencias suman [1,356 392 489 652 × 10 50 ] hercios." [42]

El kilogramo puede expresarse directamente en términos de las constantes que lo definen:

1 kilogramo =(299 792 458 ) 2/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )h Δ ν Cs/c 2.

Llevando a

1 J⋅s =h/6.626 070 15 × 10 −34
1 J =h Δ ν Cs/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )
1 W =h (Δ ν Cs ) 2/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 ) 2
1norte =299 792 458/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 ) 2h (Δ ν Cs ) 2/C

Amperio

La definición de amperio sufrió una importante revisión. La definición anterior, que en la práctica es difícil de realizar con gran precisión, fue sustituida por una definición que es más fácil de realizar.

El amperio se puede expresar directamente en términos de las constantes definitorias como:

1A =e Δ ν Cs/(1,602 176 634 × 10 −19 )(9 192 631 770 )

A modo de ejemplo, esto equivale a definir un culombio como un múltiplo exacto especificado de la carga elemental.

1 taza =mi/1,602 176 634 × 10-19 _

Debido a que la definición anterior contiene una referencia a la fuerza , que tiene las dimensiones MLT −2 , se deduce que en el SI anterior el kilogramo, el metro y el segundo (las unidades básicas que representan estas dimensiones) tuvieron que definirse antes de que se pudiera definir el amperio. . Otras consecuencias de la definición anterior fueron que en SI el valor de la permeabilidad al vacío ( μ 0 ) se fijó exactamente en4 π × 10 −7  H⋅m −1 . [43] Debido a que la velocidad de la luz en el vacío ( c ) también es fija, se deduce de la relación

permitividad del vacíoε 0
impedancia del espacio libreZ 0[44]

Una consecuencia de la definición revisada es que el amperio ya no depende de las definiciones de kilogramo y metro; Sin embargo, todavía depende de la definición del segundo. Además, los valores numéricos cuando se expresan en unidades SI de la permeabilidad del vacío, la permitividad del vacío y la impedancia del espacio libre, que eran exactos antes de la redefinición, están sujetos a errores experimentales después de la redefinición. [45] Por ejemplo, el valor numérico de la permeabilidad al vacío tiene una incertidumbre relativa igual a la del valor experimental de la constante de estructura fina . [46] El valor CODATA 2018 para la incertidumbre estándar relativa de es1,5 × 10 −10 . [47] [Nota 7]

La definición de amperios conduce a valores exactos para

1V =1,602 176 634 × 10-19 _/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )h Δ ν Cs/mi
1 Wb =1,602 176 634 × 10-19 _/6.626 070 15 × 10 −34h/mi
1 Ω =(1,602 176 634 × 10 −19 ) 2/6.626 070 15 × 10 −34h/mi 2

kélvin

La definición del kelvin sufrió un cambio fundamental. En lugar de utilizar el punto triple del agua para fijar la escala de temperatura, la nueva definición utiliza la energía equivalente dada por la ecuación de Boltzmann .

El kelvin se puede expresar directamente en términos de las constantes que lo definen como:

1K =1,380 649 × 10 −23/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )h Δ ν Cs/k.

Lunar

Una esfera casi perfecta de silicio ultrapuro: parte del ya desaparecido proyecto Avogadro , un proyecto de Coordinación Internacional de Avogadro para determinar la constante de Avogadro [40]

La definición anterior del mol lo vinculaba al kilogramo. La definición revisada rompe ese vínculo al convertir un mol en un número específico de entidades de la sustancia en cuestión.

El mol se puede expresar directamente en términos de las constantes definitorias como:

1 mol =6.022 140 76 × 10 23/N / A.

Una consecuencia de este cambio es que la relación previamente definida entre la masa del átomo de 12 C, el dalton , el kilogramo y la constante de Avogadro ya no es válida. Uno de los siguientes tuvo que cambiar:

La redacción del 9º Folleto SI [4] [Nota 8] implica que la primera afirmación sigue siendo válida, lo que significa que la segunda ya no es cierta. La masa molar es constante , aunque se mantiene con gran precisión.1 g/mol ya no es exactamente igual a eso. El Apéndice 2 del noveno folleto del SI establece que "la masa molar del carbono 12, M ( 12 C), es igual a0,012 kg⋅mol −1 dentro de una incertidumbre estándar relativa igual a la del valor recomendado de N A h en el momento en que se adoptó esta Resolución, a saber4,5 × 10 −10 , y que en el futuro su valor se determinará experimentalmente", [49] [50] que no hace referencia al dalton y es consistente con cualquiera de las afirmaciones.

Candela

La nueva definición de candela es efectivamente la misma que la definición anterior, ya que depende de otras unidades básicas, con el resultado de que la redefinición del kilogramo y el rigor adicional en las definiciones de segundo y metro se propagan a la candela.

1 cd = 1/683(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 ) 2K cd h (Δ ν Cs ) 2

Impacto en la reproducibilidad

Las siete unidades básicas del SI se definen en términos de constantes definidas [Nota 9] y constantes físicas universales. [Nota 10] [51] Se necesitan siete constantes para definir las siete unidades base pero no existe una correspondencia directa entre cada unidad base específica y una constante específica; excepto la segunda y el mol, más de una de las siete constantes contribuye a la definición de cualquier unidad base dada.

Cuando se diseñó por primera vez el Nuevo SI, había más de seis constantes físicas adecuadas entre las que los diseñadores podían elegir. Por ejemplo, una vez establecidos la longitud y el tiempo, la constante gravitacional universal G podría usarse, desde un punto de vista dimensional, para definir la masa. [Nota 11] En la práctica, G sólo puede medirse con una incertidumbre relativa del orden de 10 −5 , [Nota 12] lo que habría dado como resultado que el límite superior de la reproducibilidad del kilogramo fuera de alrededor de 10 −5 , mientras que el entonces actual El prototipo internacional del kilogramo se puede medir con una reproducibilidad de 1,2 × 10 −8 . [45] Las constantes físicas se eligieron sobre la base de la incertidumbre mínima asociada con la medición de la constante y el grado de independencia de la constante con respecto a otras constantes que se estaban utilizando. Aunque el BIPM ha desarrollado una mise en pratique (técnica práctica) estándar [52] para cada tipo de medición, la mise en pratique utilizada para realizar la medición no es parte de la definición de la medición; es simplemente una garantía de que la medición puede ser realizarse sin exceder la incertidumbre máxima especificada.

Aceptación

Gran parte del trabajo realizado por el CIPM se delega a comités consultivos. El Comité Consultivo de Unidades (CCU) del CIPM ha realizado los cambios propuestos mientras que otros comités han examinado la propuesta en detalle y han hecho recomendaciones para su aceptación por la CGPM en 2014. Los comités consultivos han establecido una serie de criterios que deben cumplirse antes de que apoyen la propuesta del CCU, incluyendo:

En marzo de 2011, el grupo de Coordinación Internacional de Avogadro (IAC) había obtenido una incertidumbre de3.0 × 10 −8 y NIST había obtenido una incertidumbre de3,6 × 10 −8 en sus medidas. [24] El 1 de septiembre de 2012, la Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología (EURAMET) lanzó un proyecto formal para reducir la diferencia relativa entre la balanza Kibble y el enfoque de la esfera de silicio para medir el kilogramo desde(17 ± 5) × 10 −8 dentro de2 × 10-8 . _ [56] A partir de marzo de 2013, la redefinición propuesta se conoce como el "Nuevo SI" [3] pero Mohr, en un artículo posterior a la propuesta de la CGPM pero anterior a la propuesta formal de la CCU, sugirió que debido a que el sistema propuesto hace uso de fenómenos de escala atómica en lugar de fenómenos macroscópicos , debería llamarse "Sistema SI Cuántico". [57]

A partir de los valores recomendados por CODATA de 2014 de las constantes físicas fundamentales publicados en 2016 utilizando datos recopilados hasta finales de 2014, todas las mediciones cumplieron con los requisitos de la CGPM, y la redefinición y la próxima reunión cuatrienal de la CGPM a finales de 2018 ahora podrían continuar. [58] [59]

El 20 de octubre de 2017, la 106.ª reunión del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) aceptó formalmente un Proyecto de Resolución A revisado, que pedía la redefinición del SI, que se votaría en la 26.ª CGPM, [7] : 17– 23  El mismo día, en respuesta al respaldo del CIPM a los valores finales, [7] : 22  el Grupo de Trabajo CODATA sobre Constantes Fundamentales publicó sus valores recomendados de 2017 para las cuatro constantes con incertidumbres y propuso valores numéricos para la redefinición sin incertidumbre. [37] La ​​votación, que tuvo lugar el 16 de noviembre de 2018 en la 26.ª GCPM, fue unánime; Todos los representantes nacionales asistentes votaron a favor de la propuesta revisada.

Las nuevas definiciones entraron en vigor el 20 de mayo de 2019. [60]

Preocupaciones

En 2010, Marcus Foster, de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO), publicó una amplia crítica de la IS; Planteó numerosas cuestiones que van desde cuestiones básicas como la ausencia del símbolo " Ω " (Omega, para el ohmio ) en la mayoría de los teclados de computadora occidentales hasta cuestiones abstractas como el formalismo inadecuado en los conceptos metrológicos en los que se basa SI. Los cambios propuestos en el nuevo SI solo abordaron problemas con la definición de las unidades base, incluidas nuevas definiciones de candela y mol  , unidades que, según Foster, no son verdaderas unidades base. Otras cuestiones planteadas por Foster quedaron fuera del alcance de la propuesta. [61]

Definiciones de unidad explícita y constante explícita

Se han expresado preocupaciones de que el uso de definiciones explícitas y constantes de la unidad que se está definiendo que no estén relacionadas con un ejemplo de su cantidad tendrá muchos efectos adversos. [62] Aunque esta crítica se aplica a la vinculación del kilogramo a la constante de Planck h a través de una ruta que requiere un conocimiento tanto de la relatividad especial como de la mecánica cuántica, [63] no se aplica a la definición del amperio, que está más cerca a un ejemplo de su cantidad que la definición anterior. [64] Algunos observadores han acogido con satisfacción el cambio para basar la definición de corriente eléctrica en la carga del electrón en lugar de la definición anterior de una fuerza entre dos cables paralelos que transportan corriente; Debido a que la naturaleza de la interacción electromagnética entre dos cuerpos es algo diferente en el nivel de la electrodinámica cuántica que en los niveles de la electrodinámica clásica , se considera inapropiado utilizar la electrodinámica clásica para definir cantidades que existen en los niveles de la electrodinámica cuántica. [45]

Masa y la constante de Avogadro

Cuando en 2005 se informó sobre la magnitud de la divergencia entre el IPK y los prototipos nacionales del kilogramo, comenzó un debate sobre si el kilogramo debería definirse en términos de la masa del átomo de silicio-28 o mediante la balanza Kibble . La masa de un átomo de silicio podría determinarse mediante el proyecto Avogadro y, utilizando la constante de Avogadro, podría vincularse directamente al kilogramo. [65] También se han expresado preocupaciones de que los autores de la propuesta no habían abordado el impacto de romper el vínculo entre el mol, el kilogramo, el dalton y la constante de Avogadro ( N A ). [Nota 13] Este vínculo directo ha hecho que muchos argumenten que el mol no es una verdadera unidad física sino, según el filósofo sueco Johansson, un "factor de escala". [61] [66]

La octava edición del Folleto SI definió el dalton en términos de la masa de un átomo de 12 C. [67] Definió la constante de Avogadro en términos de esta masa y el kilogramo, determinándola mediante experimentos. La redefinición fija la constante de Avogadro y el noveno folleto del SI [4] conserva la definición de dalton en términos de 12 C, con el efecto de que se romperá el vínculo entre el dalton y el kilogramo. [68] [69]

En 1993, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) aprobó el uso del dalton como alternativa a la unidad de masa atómica unificada con la salvedad de que la CGPM no había dado su aprobación. [70] Desde entonces se ha dado esta aprobación. [71] Siguiendo la propuesta de redefinir el mol fijando el valor de la constante de Avogadro, Brian Leonard de la Universidad de Akron , escribiendo en Metrologia , propuso que el dalton (Da) se redefiniera de modo que N A = (g/Da) mol −1 , pero que la unidad de masa atómica unificada ( m u ) conserva su definición actual basada en la masa de 12 C , dejando de ser exactamente igual al dalton. Esto daría como resultado que el dalton y la unidad de masa atómica difieran potencialmente entre sí con una incertidumbre relativa del orden de 10 −10 . [72] El noveno folleto del SI, sin embargo, define tanto el dalton (Da) como la unidad de masa atómica unificada (u) como exactamente1/12de la masa de un átomo de carbono-12 libre y no en relación con el kilogramo, [4] con el efecto de que la ecuación anterior será inexacta.

Temperatura

Diferentes rangos de temperatura necesitan diferentes métodos de medición. La temperatura ambiente se puede medir mediante la expansión y contracción de un líquido en un termómetro, pero las altas temperaturas a menudo se asocian con el color de la radiación del cuerpo negro . Wojciech T. Chyla, abordando la estructura del SI desde un punto de vista filosófico en el Journal of the Polish Physical Society , argumentó que la temperatura no es una unidad básica real sino un promedio de las energías térmicas de las partículas individuales que componen el cuerpo. preocupado. [45] Observó que en muchos artículos teóricos, la temperatura está representada por las cantidades Θ o β donde

ktermodinámica[45]

El Comité Consultivo de Termometría , parte del Comité Internacional de Pesas y Medidas , publica una puesta en práctica (técnica práctica), actualizada por última vez en 1990, para medir la temperatura. A temperaturas muy bajas y muy altas, a menudo vincula la energía con la temperatura a través de la constante de Boltzmann. [73] [74]

Intensidad luminosa

Foster argumentó que "la intensidad luminosa [la candela] no es una cantidad física , sino una cantidad fotobiológica que existe en la percepción humana", cuestionando si la candela debería ser una unidad base. [61] Antes de la decisión de 1979 de definir las unidades fotométricas en términos de flujo luminoso (potencia) en lugar de intensidades luminosas de fuentes de luz estándar, ya había dudas sobre si todavía debería haber una unidad base separada para la fotometría. Además, hubo un acuerdo unánime en que el lumen era ahora más fundamental que la candela. Sin embargo, en aras de la continuidad, se mantuvo la candela como unidad base. [75]

Ver también

Notas

  1. ^ El metro fue redefinido nuevamente en 1983 fijando el valor de la velocidad de la luz en el vacío. Esa definición no se modificó en 2019 y sigue vigente hoy.
  2. ↑ El dalton no está definido en la propuesta formal que será votada por la CGPM, sólo en la 9.ª edición del Folleto SI .
  3. ^ El prototipo No. 8 (41) fue estampado accidentalmente con el número 41, pero sus accesorios llevan el número correcto 8. Dado que no hay ningún prototipo marcado con 8, este prototipo se conoce como 8 (41). 
  4. ^ En particular, el CIPM debía preparar una puesta en práctica detallada para cada una de las nuevas definiciones de kilogramo, amperio, kelvin y mol establecidas por la 23ª CGPM . [29]
  5. ^ Estas constantes se describen en la versión de 2006 del manual SI, pero en esa versión, las tres últimas se definen como "constantes que se obtendrán mediante experimento" en lugar de "constantes definitorias".
  6. ^ Aunque la frase utilizada aquí es más concisa que en la definición anterior, todavía tiene el mismo significado. Esto queda claro en el noveno folleto del SI, que casi inmediatamente después de la definición de la p. 130 establece: "El efecto de esta definición es que la segunda es igual a la duración de9 192 631 770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental imperturbado del átomo de 133 Cs."
  7. ^ Debe agregarse una nota sobre la definición de unidad de campo magnético (tesla). Cuando el amperio se definió como la corriente que fluye en dos largos cables paralelos separados por1 m causa una fuerza de2 × 10 −7  N/m entre sí, también había otra definición: el campo magnético en la ubicación de cada uno de los cables en esta configuración se definió como2 × 10 −7  T . A saber1 T es la intensidad del campo magnético B que provoca una fuerza de1 N/m en un cable por el que circula una corriente de1A . El número2 × 10 −7 también se escribió como μ 0 /2 π . Esta definición arbitraria es lo que hizo que μ 0 fuera exactamente 4 π × 10−7  H/m. En consecuencia, el campo magnético cerca de un cable que transporta corriente viene dado por B = μ 0 I /2 πr . Ahora, con la nueva definición del amperio, la definición del tesla también se ve afectada. Más específicamente, se mantiene la definición basada en la fuerza de un campo magnético sobre un cable que transporta corriente ( F = I ⋅ B ⋅ l ) mientras que, como se mencionó anteriormente, μ 0 ya no puede ser exactamente 4 π × 10−7  H/m y debe medirse experimentalmente. El valor de la permitividad del vacío ε 0 = 1/( μ 0 c 2 ) también se ve afectado en consecuencia. Las ecuaciones de Maxwell 'se encargarán' de que la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales sea F = 1/(4 πε 0 )( q 1 q 2 )/ r 2 .
  8. ^ Una nota a pie de página en la Tabla 8 sobre unidades no pertenecientes al SI dice: "El dalton (Da) y la unidad de masa atómica unificada (u) son nombres (y símbolos) alternativos para la misma unidad, iguales a 1/12 de la masa de un átomo de carbono libre 12, en reposo y en su estado fundamental."
  9. ^ Aunque las tres cantidades: temperatura, intensidad luminosa y cantidad de sustancia pueden considerarse desde una perspectiva física fundamental como cantidades derivadas, estas son cantidades perceptualmente independientes y tienen constantes de conversión definidas que relacionan las unidades históricamente definidas con la física subyacente.
  10. ^ La definición de candela es atípica dentro de las unidades básicas; traducir medidas físicas de intensidad espectral a unidades de candelas también requiere un modelo de la respuesta del ojo humano a diferentes longitudes de onda de luz conocida como función de luminosidad y denotada por V ( λ ), función determinada por la Comisión Internacional de Iluminación. (CIE).
  11. ^ Las dimensiones de G son L 3 M −1 T −2 , por lo que una vez que se han establecido los estándares de longitud y tiempo, la masa, en teoría, se puede deducir de G. Cuando se establecen constantes fundamentales como relaciones entre estas tres unidades, las unidades se pueden deducir de una combinación de estas constantes; por ejemplo, como combinación lineal de unidades de Planck .
  12. ^ Los siguientes términos se definen en Vocabulario internacional de metrología: conceptos básicos y generales y términos asociados. Archivado el 17 de marzo de 2017 en Wayback Machine :
    • reproducibilidad de la medición – definición 2.25
    • incertidumbre estándar de medición – definición 2.30
    • incertidumbre estándar relativa de la medición – definición 2.32
  13. ^ Las dos cantidades de la constante de Avogadro N A y el número de Avogadro N N son numéricamente idénticas, pero mientras N A tiene la unidad mol −1 , N N es un número puro.

Referencias

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Otras lecturas

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