2019 redefinição das unidades de base do SI - 2019 redefinition of the SI base units

O sistema SI após a redefinição de 2019: Dependência das definições da unidade de base em constantes físicas com valores numéricos fixos e em outras unidades de base. As setas são mostradas na direção oposta em comparação com gráficos de dependência típicos , ou seja , neste gráfico, a média depende de : é usado para definir .
O sistema SI após 1983, mas antes da redefinição de 2019: Dependência das definições da unidade de base em outras unidades de base (por exemplo, o metro é definido como a distância percorrida pela luz em uma fração específica de segundo ), com as constantes da natureza e artefatos usados ​​para defini-los (como a massa do IPK para o quilograma).

A partir de 20 de maio de 2019, o 144º aniversário da Convenção do Medidor , as unidades de base do SI foram redefinidas de acordo com o Sistema Internacional de Quantidades . Na redefinição, quatro das sete unidades de base do SI - o quilograma , ampere , kelvin e mol - foram redefinidas pela configuração de valores numéricos exatos quando expressos em unidades do SI para a constante de Planck ( h ), a carga elétrica elementar ( e ), a constante de Boltzmann ( k B ) e a constante de Avogadro ( N A ), respectivamente. O segundo , metro e candela já eram definidos por constantes físicas e não estavam sujeitos à correção de suas definições. As novas definições visavam melhorar o SI sem alterar o valor de nenhuma unidade, garantindo a continuidade com as medições existentes. Em novembro de 2018, a 26ª Conferência Geral sobre Pesos e Medidas (CGPM) aprovou por unanimidade essas mudanças, que o Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) havia proposto no início daquele ano, após determinar que as condições previamente acordadas para a mudança haviam sido atendidas. Essas condições foram satisfeitas por uma série de experimentos que mediram as constantes com alta precisão em relação às antigas definições de SI, e foram o culminar de décadas de pesquisa.

A principal mudança anterior do sistema métrico ocorreu em 1960, quando o Sistema Internacional de Unidades (SI) foi formalmente publicado. Nessa época, o medidor foi redefinido: a definição foi alterada do protótipo do medidor para um certo número de comprimentos de onda de uma linha espectral de uma radiação krypton-86 , tornando-a derivável de fenômenos naturais universais. O quilograma permaneceu definido por um protótipo físico, deixando-o como o único artefato do qual as definições da unidade SI dependem. Nessa época, o SI, como um sistema coerente , era construído em torno de sete unidades básicas , cujas potências eram usadas para construir todas as outras unidades. Com a redefinição de 2019, o SI é construído em torno de sete constantes definidoras , permitindo que todas as unidades sejam construídas diretamente a partir dessas constantes. A designação das unidades básicas é mantida, mas não é mais essencial para definir as unidades SI.

O sistema métrico foi originalmente concebido como um sistema de medição derivável de fenômenos imutáveis, mas as limitações práticas exigiam o uso de artefatos - o protótipo do metro e o protótipo do quilograma - quando o sistema métrico foi introduzido na França em 1799. Embora foi projetado para estabilidade de longo prazo, as massas do quilograma do protótipo e suas cópias secundárias mostraram pequenas variações em relação umas às outras ao longo do tempo; não são considerados adequados para a precisão crescente exigida pela ciência, o que leva à busca de um substituto adequado. As definições de algumas unidades foram definidas por medidas difíceis de serem realizadas com precisão em um laboratório, como o Kelvin , que foi definido em termos do ponto triplo da água . Com a redefinição de 2019, o SI tornou-se totalmente derivável de fenômenos naturais com a maioria das unidades sendo baseadas em constantes físicas fundamentais .

Vários autores publicaram críticas às definições revisadas; suas críticas incluem a premissa de que a proposta falhou em abordar o impacto da quebra do vínculo entre a definição do dalton e as definições do quilograma, da toupeira e da constante de Avogadro .

Fundo

A estrutura básica do SI foi desenvolvida ao longo de cerca de 170 anos entre 1791 e 1960. Desde 1960, os avanços tecnológicos tornaram possível abordar os pontos fracos do SI, como a dependência de um artefato físico para definir o quilograma.

Desenvolvimento de SI

Durante os primeiros anos da Revolução Francesa , os líderes da Assembleia Nacional Constituinte francesa decidiram introduzir um novo sistema de medição baseado nos princípios da lógica e dos fenômenos naturais. O metro foi definido como um décimo milionésimo da distância do pólo norte ao equador e o quilograma como a massa de um milésimo de um metro cúbico de água pura. Embora essas definições tenham sido escolhidas para evitar a propriedade das unidades, elas não puderam ser medidas com conveniência ou precisão suficiente para serem úteis. Em vez disso, as realizações foram criadas na forma do mètre des Archives e do kilogram des Archives, que eram a "melhor tentativa" de cumprir esses princípios.

Em 1875, o uso do sistema métrico se espalhou na Europa e na América Latina ; naquele ano, vinte nações industrialmente desenvolvidas se reuniram para a Convenção do Metro , que levou à assinatura do Tratado do Metro , sob o qual três órgãos foram criados para assumir a custódia dos protótipos internacionais do quilograma e do metro, e para regular comparações com protótipos nacionais. Eles eram:

  • CGPM (Conferência Geral sobre Pesos e Medidas, Conférence générale des poids et mesures ) - A Conferência se reúne a cada quatro a seis anos e consiste de delegados das nações que assinaram a convenção. Ele discute e examina os arranjos necessários para garantir a propagação e o aprimoramento do Sistema Internacional de Unidades e endossa os resultados de novas determinações metrológicas fundamentais .
  • CIPM (Comitê Internacional de Pesos e Medidas, Comité internacional des poids et mesures ) - O Comitê é composto por dezoito cientistas eminentes, cada um de um país diferente, indicados pela CGPM. O CIPM se reúne anualmente e tem como missão assessorar a CGPM. O CIPM criou vários subcomitês, cada um deles encarregado de uma área de interesse específica. Um deles, o Comitê Consultivo de Unidades (CCU), assessora o CIPM nos assuntos relativos às unidades de medida.
  • BIPM (Bureau Internacional de Pesos e Medidas, Bureau International des poids et mesures ) - O Bureau fornece a guarda segura dos protótipos internacionais do quilograma e do metro, fornece instalações de laboratório para comparações regulares dos protótipos nacionais com o protótipo internacional, e é a secretaria do CIPM e da CGPM.

A 1ª CGPM (1889) aprovou formalmente o uso de 40 protótipos de medidores e 40 protótipos de quilogramas fabricados pela empresa britânica Johnson Matthey como os padrões exigidos pela Convenção do Medidor. Os protótipos Medidor nº 6 e Quilograma KIII foram designados como o protótipo internacional do medidor e do quilograma, respectivamente; a CGPM reteve outras cópias como cópias de trabalho e as demais foram distribuídas aos Estados membros para uso como seus protótipos nacionais. Cerca de uma vez a cada 40 anos, os protótipos nacionais eram comparados e recalibrados com o protótipo internacional.

Em 1921, a Convenção do Metro foi revisada e o mandato da CGPM foi estendido para fornecer padrões para todas as unidades de medida, não apenas para massa e comprimento. Nos anos seguintes, a CGPM assumiu a responsabilidade de fornecer os padrões de corrente elétrica (1946), luminosidade (1946), temperatura (1948), tempo (1956) e massa molar (1971). A 9ª CGPM em 1948 instruiu o CIPM "a fazer recomendações para um único sistema prático de unidades de medida, adequado para adoção por todos os países aderentes à Convenção do Medidor". As recomendações baseadas neste mandato foram apresentadas à XI CGPM (1960), onde foram formalmente aceites e receberam o nome de " Système International d'Unités " e a sua abreviatura "SI".

Ímpeto para mudança

Há um precedente para alterar os princípios subjacentes à definição das unidades de base do SI; a 11ª CGPM (1960) definiu o medidor SI em termos do comprimento de onda da radiação do criptônio-86 , substituindo a barra do medidor pré-SI, e a 13ª CGPM (1967) substituiu a definição original do segundo , que era baseada na média da Terra rotação de 1750 a 1892, com uma definição baseada na frequência da radiação emitida ou absorvida com uma transição entre dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133 . A 17ª CGPM (1983) substituiu a definição de 1960 do metro por uma baseada na segunda, dando uma definição exata da velocidade da luz em unidades de metros por segundo .

Mass deriva ao longo do tempo de protótipos nacionais K21-K40 , mais dois do protótipo internacional de cópias irmã : K32 e K8 (41). Todas as mudanças em massa são relativas ao IPK.

Desde sua fabricação, oscila de até 2 × 10 -8 quilogramas por ano nos quilogramas protótipos nacionais relativas ao protótipo internacional do quilograma (IPK) foram detectados. Não havia como determinar se os protótipos nacionais estavam ganhando massa ou se o IPK estava perdendo massa. O metrologista da Universidade de Newcastle, Peter Cumpson, identificou, desde então, a absorção de vapor de mercúrio ou a contaminação por carbono como possíveis causas dessa deriva. Na 21ª reunião da CGPM (1999), os laboratórios nacionais foram instados a investigar formas de quebrar a ligação entre o quilograma e um artefato específico.

Metrologistas investigaram várias abordagens alternativas para redefinir o quilograma com base em constantes físicas fundamentais. Entre outros, o projeto Avogadro e o desenvolvimento da balança Kibble (conhecida como "balança watt" antes de 2016) prometiam métodos de medição indireta de massa com altíssima precisão. Esses projetos forneceram ferramentas que permitem meios alternativos de redefinir o quilograma.

Um relatório publicado em 2007 pelo Comitê Consultivo de Termometria (CCT) para o CIPM observou que sua definição atual de temperatura provou ser insatisfatória para temperaturas abaixo20 K e para temperaturas acima1300 K . O comitê considerou que a constante de Boltzmann fornecia uma base melhor para a medição da temperatura do que o ponto triplo da água, porque superou essas dificuldades.

Em sua 23ª reunião (2007), a CGPM ordenou que o CIPM investigasse o uso de constantes naturais como base para todas as unidades de medida, em vez dos artefatos que estavam então em uso. No ano seguinte, isso foi aprovado pela União Internacional de Física Pura e Aplicada (IUPAP). Em uma reunião da CCU realizada em Reading, Reino Unido , em setembro de 2010, uma resolução e um rascunho de alterações no folheto da SI que deveriam ser apresentados na próxima reunião do CIPM em outubro de 2010 foram acordados em princípio. A reunião do CIPM de outubro de 2010 concluiu que "as condições estabelecidas pela Conferência Geral em sua 23ª reunião ainda não foram totalmente cumpridas. Por esta razão, o CIPM não propõe uma revisão da IS no momento". O CIPM, entretanto, apresentou uma resolução para consideração na 24ª CGPM (17–21 de outubro de 2011) para concordar com as novas definições em princípio, mas não para implementá-las até que os detalhes fossem finalizados. Esta resolução foi aceita pela conferência e, além disso, a CGPM adiou a data da 25ª reunião de 2015 para 2014. Na 25ª reunião, de 18 a 20 de novembro de 2014, verificou-se que "apesar do [progresso nos requisitos necessários] os dados ainda não parecem ser suficientemente robustos para que a CGPM adote o SI revisado em sua 25ª reunião ", adiando assim a revisão para a próxima reunião em 2018. Medições precisas o suficiente para atender às condições estavam disponíveis em 2017 e a redefinição foi adotado na 26ª CGPM (13–16 de novembro de 2018).

Redefinição

Após a bem-sucedida redefinição do medidor em 1983 em termos de um valor numérico exato para a velocidade da luz, o Comitê Consultivo para Unidades (CCU) do BIPM recomendou e o BIPM propôs que quatro outras constantes da natureza deveriam ser definidas para ter valores exatos. Estes são

Essas constantes são descritas na versão de 2006 do manual do SI, mas nessa versão, as três últimas são definidas como "constantes a serem obtidas por experimento" em vez de "constantes definidoras". A redefinição mantém inalterados os valores numéricos associados às seguintes constantes da natureza:

  • A velocidade da luz c é exatamente299 792 458  metros por segundo (m⋅s −1 ) ;
  • A frequência de transição da estrutura hiperfina do estado fundamental do átomo de césio-133 Δ ν Cs é exatamente9 192 631 770  hertz (Hz) ;
  • A eficácia luminosa K cd da radiação monocromática de frequência540 × 10 12  Hz (540 THz ) - uma frequência de luz verde em aproximadamente o pico de sensibilidade do olho humano - é exatamente683 lúmens por watt (lm⋅W −1 ) .

As sete definições acima são reescritas abaixo com as unidades derivadas ( joule , coulomb , hertz , lúmen e watt ) expressas em termos das sete unidades básicas : segundo, metro, quilograma, ampere, kelvin, mol e candela, de acordo com o 9º Folheto SI. Na lista a seguir, o símbolo sr representa a unidade adimensional esteradiana .

  • Δ ν Cs = Δ ν ( 133 Cs) hfs =9 192 631 770  s −1
  • c =299 792 458  m⋅s −1
  • h =6,626 070 15 × 10 −34  kg⋅m 2 ⋅s −1
  • e =1,602 176 634 × 10 −19  A⋅s
  • k =1,380 649 × 10 −23  kg⋅m 2 ⋅K −1 ⋅s −2
  • N A =6.022 140 76 × 10 23  mol −1
  • K cd =683 cd⋅sr⋅s 3 ⋅kg −1 ⋅m −2

Como parte da redefinição, o Protótipo Internacional do Quilograma foi retirado e as definições do quilograma, ampere e Kelvin foram substituídas. A definição da toupeira foi revisada. Essas mudanças têm o efeito de redefinir as unidades de base do SI, embora as definições das unidades derivadas do SI em termos de unidades de base permaneçam as mesmas.

Impacto nas definições da unidade base

Seguindo a proposta do CCU, os textos das definições de todas as unidades básicas foram refinados ou reescritos, mudando a ênfase de definições de unidade explícita para definições de tipo constante explícita. As definições de tipo de unidade explícita definem uma unidade em termos de um exemplo específico dessa unidade; por exemplo, em 1324 Eduardo II definiu a polegada como sendo o comprimento de três grãos de cevada e de 1889 a 2019 o quilograma foi definido como a massa do Protótipo Internacional do Quilograma. Em definições de constantes explícitas, uma constante da natureza recebe um valor especificado e a definição da unidade emerge como consequência; por exemplo, em 1983, a velocidade da luz foi definida exatamente como299 792 458 metros por segundo. O comprimento do metro pode ser derivado porque o segundo já foi definido de forma independente. As definições anteriores e de 2019 são fornecidas abaixo.

Segundo

A nova definição da segunda é efetivamente igual à anterior, com a única diferença de que as condições sob as quais a definição se aplica são definidas de forma mais rigorosa.

  • Definição anterior: a segunda é a duração de9 192 631 770 períodos da radiação correspondente à transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do átomo de césio-133.
  • Definição de 2019: o segundo, símbolo s, é a unidade de tempo do SI. É definido tomando o valor numérico fixo da frequência de césio Δ ν Cs , a frequência de transição hiperfina de estado fundamental não perturbado do átomo de césio-133, para ser9 192 631 770 quando expresso na unidade Hz , que é igual a s −1 .

O segundo pode ser expresso diretamente em termos das constantes de definição:

1 s = 9 192 631 770/Δ ν Cs.

Metro

A nova definição do metro é efetivamente igual à anterior, sendo a única diferença que o rigor adicional na definição do segundo se propagou para o metro.

  • Definição anterior: O medidor é o comprimento do caminho percorrido pela luz no vácuo durante um intervalo de tempo de1/299 792 458 de um segundo.
  • Definição de 2019: O metro, símbolo m, é a unidade SI de comprimento. É definido tomando o valor numérico fixo da velocidade da luz no vácuo c como sendo299 792 458 quando expresso na unidade m⋅s −1 , onde o segundo é definido em termos da frequência de césio Δ ν Cs .

O medidor pode ser expresso diretamente em termos das constantes de definição:

1 m = 9 192 631 770/299 792 458c/Δ ν Cs.

Quilograma

Uma balança Kibble , que foi usada para medir a constante de Planck em termos do protótipo internacional do quilograma.

A definição do quilograma mudou fundamentalmente; a definição anterior definia o quilograma como a massa do protótipo internacional do quilograma , que é um artefato e não uma constante da natureza. A nova definição relaciona o quilograma a, entre outras coisas, a massa equivalente da energia de um fóton dada sua frequência, via constante de Planck.

  • Definição anterior: O quilograma é a unidade de massa; é igual à massa do protótipo internacional do quilograma.
  • Definição de 2019: O quilograma, símbolo kg, é a unidade SI de massa. É definido tomando o valor numérico fixo da constante de Planck h como sendo6,626 070 15 × 10 -34 quando expressa na unidade J⋅s, que é igual a kg⋅m 2 ⋅s -1 , onde o medidor e o segundo são definidos em termos de C e ô vmax Cs .

Para ilustração, uma redefinição proposta anterior que é equivalente a esta definição de 2019 é: "O quilograma é a massa de um corpo em repouso cuja energia equivalente é igual à energia de uma coleção de fótons cujas frequências somam [1,356 392 489 652 × 10 50 ] hertz. "

O quilograma pode ser expresso diretamente em termos das constantes de definição:

1 kg = (299 792 458 ) 2/(6,626 070 15 × 10 −34 ) (9 192 631 770 )h Δ ν Cs/c 2.

Levando 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 ν Cs ) 2/(6,626 070 15 × 10 −34 ) (9 192 631 770 ) 2
1 N = 299 792 458/(6,626 070 15 × 10 −34 ) (9 192 631 770 ) 2h ν Cs ) 2/c

Ampère

O ampere, símbolo A, é a unidade SI de corrente elétrica. A definição do ampere passou por uma grande revisão. A definição anterior, que é difícil de realizar com alta precisão na prática, foi substituída por uma definição mais fácil de realizar.

  • Definição anterior: O ampere é aquela corrente constante que, se mantida em dois condutores paralelos retos de comprimento infinito, de seção transversal circular desprezível, e colocados a 1 m de distância no vácuo, produziria entre esses condutores uma força igual a2 × 10 -7 newtons por metro de comprimento.
  • Definição de 2019: O Coulomb ( C ) é igual a A⋅s. Portanto, o Ampere é igual a C ÷ s. É assim definido tomando o valor da carga elementar e como sendo1,602 176 634 × 10 −19 C , e definindo o segundo em termos de Δ ν Cs .

O ampere pode ser expresso diretamente em termos das constantes de definição como:

1 A = e Δ ν Cs/(1,602 176 634 × 10 −19 ) (9 192 631 770 )
onde 9 192 631 770 é o número de radiações do átomo de Césio-133 em um segundo.

Para ilustração, isso é equivalente a definir um coulomb como um múltiplo especificado exato da carga elementar.

1 C = e/1,602 176 634 × 10 −19

Como a definição anterior contém uma referência à força , que tem as dimensões MLT −2 , segue-se que no SI anterior o quilograma, o metro e o segundo - as unidades básicas que representam essas dimensões - tiveram que ser definidos antes que o ampere pudesse ser definido . Outras consequências da definição anterior foram que em SI o valor da permeabilidade ao vácuo ( μ 0 ) foi fixado exatamente em4 π × 10 −7  H⋅m −1 . Como a velocidade da luz no vácuo ( c ) também é fixa, ela decorreu da relação

que a permissividade de vácuo ( ε 0 ) tinha um valor fixo, e de

que a impedância do espaço livre ( Z 0 ) da mesma forma tinha um valor fixo.

Uma consequência da definição revisada é que o ampere não depende mais das definições do quilograma e do metro; no entanto, ainda depende da definição do segundo. Além disso, os valores numéricos quando expressos em unidades SI da permeabilidade do vácuo, permissividade do vácuo e impedância do espaço livre, que eram exatos antes da redefinição, estão sujeitos a erro experimental após a redefinição. Por exemplo, o valor numérico da permeabilidade ao vácuo tem uma incerteza relativa igual àquela do valor experimental da constante de estrutura fina . O valor CODATA 2018 para a incerteza padrão relativa de é1,5 × 10 −10 .

A definição do ampere leva a valores exatos para

1 V = 1,602 176 634 × 10 −19/(6,626 070 15 × 10 −34 ) (9 192 631 770 )h Δ ν Cs/e
1 Wb = 1,602 176 634 × 10 −19/6,626 070 15 × 10 −34h/e
1 Ω = (1,602 176 634 × 10 −19 ) 2/6,626 070 15 × 10 −34h/e 2

Kelvin

A definição do Kelvin sofreu uma mudança fundamental. Em vez de usar o ponto triplo da água para fixar a escala de temperatura, a nova definição usa o equivalente de energia dado pela equação de Boltzmann .

  • Definição anterior: O Kelvin, unidade de temperatura termodinâmica , é1/273,16 da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água.
  • Definição de 2019: O Kelvin, símbolo K, é a unidade SI de temperatura termodinâmica. É definido tomando o valor numérico fixo da constante k de Boltzmann como sendo1,380 649 × 10 −23 quando expresso na unidade J⋅K −1 , que é igual a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , onde o quilograma, metro e segundo são definidos em termos de h , c e Δ ν Cs .

O Kelvin pode ser expresso diretamente em termos das constantes de definição como:

1 K = 1.380 649 × 10 −23/(6,626 070 15 × 10 −34 ) (9 192 631 770 )h Δ ν Cs/k.

Verruga

Uma esfera quase perfeita de silício ultra-puro - parte do agora extinto projeto Avogadro , um projeto da Coordenação Internacional de Avogadro para determinar a constante de Avogadro

A definição anterior de toupeira vinculava-o ao quilograma. A definição revisada quebra esse vínculo, tornando uma toupeira um número específico de entidades da substância em questão.

  • Definição anterior: A toupeira é a quantidade de substância de um sistema que contém tantas entidades elementares quanto átomos em 0,012 quilograma de carbono-12 . Quando a toupeira é usada, as entidades elementares devem ser especificadas e podem ser átomos, moléculas , íons , elétrons , outras partículas ou grupos específicos de tais partículas.
  • Definição de 2019: O mol, símbolo mol, é a unidade SI de quantidade de substância. Uma toupeira contém exatamente6.022 140 76 × 10 23 entidades elementares. Esse número é o valor numérico fixo da constante de Avogadro , N A , quando expresso na unidade mol −1 e é chamado de número de Avogadro. A quantidade de substância, símbolo n , de um sistema é uma medida do número de entidades elementares especificadas. Uma entidade elementar pode ser um átomo, uma molécula, um íon, um elétron, qualquer outra partícula ou grupo específico de partículas.

A toupeira pode ser expressa diretamente em termos de constantes de definição como:

1 mol = 6.022 140 76 × 10 23/N A.

Uma consequência dessa mudança é que a relação definida anteriormente entre a massa do átomo 12 C, o dalton , o quilograma e a constante de Avogadro não é mais válida. Um dos seguintes teve que mudar:

  • A massa de um átomo de 12 C é exatamente 12 dalton.
  • O número de dalton em um grama é exatamente o valor numérico da constante de Avogadro: (isto é, 1 g / Da = 1 mol ⋅ N A ).

A redação da nona brochura SI implica que a primeira afirmação permanece válida, o que significa que a segunda não é mais verdadeira. A constante de massa molar , embora permaneça com grande precisão1 g / mol , não é mais exatamente igual a isso. O Apêndice 2 da 9ª brochura SI afirma que "a massa molar do carbono 12, M ( 12 C), é igual a0,012 kg⋅mol −1 dentro de uma incerteza padrão relativa igual ao valor recomendado de N A h no momento em que esta Resolução foi adotada, a saber,4,5 × 10 −10 , e que no futuro seu valor será determinado experimentalmente ", o que não faz referência ao dalton e é consistente com qualquer uma das afirmações.

Candela

A nova definição da candela é efetivamente igual à definição anterior, pois depende de outras unidades de base, com o resultado de que a redefinição do quilograma e o rigor adicional nas definições da segunda e do metro se propagam para a candela.

  • Definição anterior: a candela é a intensidade luminosa , em uma determinada direção, de uma fonte que emite radiação monocromática de frequência540 × 10 12  Hz e que tem uma intensidade radiante nessa direção de1/683watt por steradian .
  • Definição de 2019: a candela, símbolo cd, é a unidade SI de intensidade luminosa em uma determinada direção. É definido tomando o valor numérico fixo da eficácia luminosa da radiação monocromática de frequência540 × 10 12  Hz , K cd , a ser 683 quando expresso na unidade lm⋅W −1 , que é igual a cd⋅sr⋅W −1 , ou cd⋅sr⋅kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 , onde o quilograma, metro e segundo são definidos em termos de h , c e Δ ν Cs .
1 cd = 1/683 (6,626 070 15 × 10 −34 ) (9 192 631 770 ) 2K cd hν Cs ) 2

Impacto na reprodutibilidade

Todas as sete unidades de base do SI serão definidas em termos de constantes definidas e constantes físicas universais. Sete constantes são necessárias para definir as sete unidades básicas, mas não há uma correspondência direta entre cada unidade básica específica e uma constante específica; exceto a segunda e a toupeira, mais de uma das sete constantes contribui para a definição de qualquer unidade base.

Quando o Novo SI foi projetado pela primeira vez, havia mais de seis constantes físicas adequadas que os projetistas podiam escolher. Por exemplo, uma vez estabelecidos o comprimento e o tempo, a constante gravitacional universal G poderia, de um ponto de vista dimensional, ser usada para definir a massa. Na prática, G só pode ser medido com uma incerteza relativa da ordem de 10-5 , o que teria resultado no limite superior da reprodutibilidade do quilograma sendo em torno de 10-5, enquanto o protótipo internacional atual do quilograma pode ser medido com um reprodutibilidade de 1,2 × 10 -8 . As constantes físicas foram escolhidas com base na incerteza mínima associada à medição da constante e ao grau de independência da constante em relação a outras constantes que estavam sendo usadas. Embora o BIPM tenha desenvolvido uma mise en pratique padrão (técnica prática) para cada tipo de medição, a mise en pratique usada para fazer a medição não faz parte da definição da medição - é apenas uma garantia de que a medição pode ser feita sem exceder a incerteza máxima especificada.

Aceitação

Muito do trabalho realizado pelo CIPM é delegado a comitês consultivos. O Comitê Consultivo de Unidades (CCU) do CIPM fez as alterações propostas, enquanto outros comitês examinaram a proposta em detalhes e fizeram recomendações sobre sua aceitação pela CGPM em 2014. Os comitês consultivos estabeleceram uma série de critérios que devem ser atendidos antes de apoiarem a proposta do CCU, incluindo:

  • Para a redefinição do quilograma, pelo menos três experimentos separados gerando valores para a constante de Planck tendo uma incerteza relativa expandida (95%) de não mais do que5 × 10 −8 deve ser realizado e pelo menos um desses valores deve ser melhor que2 × 10 −8 . Tanto a balança Kibble quanto o projeto Avogadro devem ser incluídos nos experimentos e quaisquer diferenças entre eles devem ser reconciliadas.
  • Para a redefinição do Kelvin, a incerteza relativa da constante de Boltzmann derivada a partir de dois métodos diferentes, tais como fundamentalmente termometria gás acústico e dieléctrico termometria gás constante deve ser melhor do que 10 -6 , e estes valores devem ser corroborada por outras medições.

Em março de 2011, o grupo da Coordenação Internacional de Avogadro (IAC) obteve uma incerteza de 3,0 × 10 -8 e NIST obtiveram uma incerteza de3,6 × 10 −8 em suas medições. Em 1 de setembro de 2012, a Associação Europeia de Institutos Nacionais de Metrologia (EURAMET) lançou um projeto formal para reduzir a diferença relativa entre o equilíbrio de Kibble e a abordagem da esfera de silício para medir o quilograma de(17 ± 5) × 10 −8 para dentro2 × 10 −8 . Em março de 2013, a redefinição proposta era conhecida como "Novo SI", mas Mohr, em um artigo seguindo a proposta da CGPM, mas anterior à proposta formal da CCU, sugeriu que, como o sistema proposto faz uso de fenômenos de escala atômica em vez de fenômenos macroscópicos , deve ser chamado de "Quantum SI System".

A partir dos valores recomendados pela CODATA de 2014 das constantes físicas fundamentais publicadas em 2016 usando dados coletados até o final de 2014, todas as medições atenderam aos requisitos da CGPM, e a redefinição e a próxima reunião quadrienal da CGPM no final de 2018 agora podem prosseguir.

Em 20 de outubro de 2017, a 106ª reunião do Comitê Internacional de Pesos e Medidas (CIPM) aceitou formalmente um Projeto de Resolução A revisado, pedindo a redefinição do SI, a ser votado na 26ª CGPM, no mesmo dia, em resposta para o endosso do CIPM dos valores finais, o CODATA Task Group on Fundamental Constants publicou seus valores recomendados de 2017 para as quatro constantes com incertezas e valores numéricos propostos para a redefinição sem incerteza. A votação, que decorreu a 16 de novembro de 2018, no 26º GCPM, foi unânime; todos os representantes nacionais presentes votaram a favor da proposta revisada.

As novas definições entraram em vigor em 20 de maio de 2019.

Preocupações

Em 2010, Marcus Foster da Organização de Pesquisa Científica e Industrial da Commonwealth (CSIRO) publicou uma ampla crítica da SI; ele levantou várias questões que vão desde questões básicas como a ausência do símbolo " Ω " (Omega, para o ohm ) da maioria dos teclados de computador ocidentais a questões abstratas como formalismo inadequado nos conceitos metrológicos nos quais o SI é baseado. As mudanças propostas no novo SI trataram apenas de problemas com a definição das unidades de base, incluindo novas definições de candela e mol  - as unidades que Foster argumentou não são unidades de base verdadeiras. Outras questões levantadas por Foster estavam fora do escopo da proposta.

Definições de unidade explícita e constante explícita

Foram expressas preocupações de que o uso de definições de constantes explícitas da unidade que está sendo definida, não relacionadas a um exemplo de sua quantidade, terá muitos efeitos adversos. Embora essa crítica se aplique à ligação do quilograma à constante de Planck h por meio de uma rota que requer um conhecimento tanto da relatividade especial quanto da mecânica quântica, ela não se aplica à definição do ampere, que está mais próxima de um exemplo de sua quantidade do que a definição anterior. Alguns observadores saudaram a mudança para basear a definição de corrente elétrica na carga do elétron, em vez da definição anterior de uma força entre dois fios paralelos que transportam corrente; como a natureza da interação eletromagnética entre dois corpos é um pouco diferente no nível da eletrodinâmica quântica do que nos níveis eletrodinâmicos clássicos , é considerado impróprio usar a eletrodinâmica clássica para definir as quantidades que existem nos níveis eletrodinâmicos quânticos.

Missa e a constante de Avogadro

Quando a escala da divergência entre o IPK e os protótipos do quilograma nacional foi relatada em 2005, um debate começou sobre se o quilograma deveria ser definido em termos da massa do átomo de silício-28 ou usando a balança de Kibble . A massa de um átomo de silício pode ser determinada usando o projeto de Avogadro e usando a constante de Avogadro, ela pode ser ligada diretamente ao quilograma. Também foram expressas preocupações de que os autores da proposta não conseguiram abordar o impacto da quebra da ligação entre a toupeira, o quilograma, o dalton e a constante de Avogadro ( N A ). Esta ligação direta fez com que muitos argumentassem que a toupeira não é uma verdadeira unidade física, mas, de acordo com o filósofo sueco Johansson, um "fator de escala".

A 8ª edição da brochura SI define o dalton em termos da massa de um átomo de 12 C. Ela define a constante de Avogadro em termos dessa massa e do quilograma, tornando-a determinada por experimento. A proposta fixa a constante de Avogadro e a 9ª brochura SI mantém a definição de dalton em termos de 12 C, com o efeito de que a ligação entre o dalton e o quilograma será quebrada.

Em 1993, a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) aprovou o uso do dalton como alternativa à unidade de massa atômica unificada com a qualificação de que a CGPM não havia dado sua aprovação. Essa aprovação já foi concedida. Seguindo a proposta de redefinir o mol fixando o valor da constante de Avogadro, Brian Leonard, da Universidade de Akron , escrevendo em Metrologia , propôs que o dalton (Da) fosse redefinido de forma que N A = (g / Da) mol -1 , mas que a unidade de massa atômica unificada ( m u ) retém sua definição atual baseada na massa de 12 C , deixando de ser exatamente igual ao dalton. Isso resultaria no dalton e a unidade de massa atômica potencialmente diferindo um do outro com uma incerteza relativa da ordem de 10-10 . A 9ª brochura SI, no entanto, define tanto o dalton (Da) quanto a unidade de massa atômica unificada (u) exatamente1/12 da massa de um átomo de carbono-12 livre e não em relação ao quilograma, com o efeito de que a equação acima será inexata.

Temperatura

Diferentes faixas de temperatura precisam de diferentes métodos de medição. A temperatura ambiente pode ser medida por meio da expansão e contração de um líquido em um termômetro, mas as altas temperaturas costumam ser associadas à cor da radiação do corpo negro . Wojciech T. Chyla, abordando a estrutura da SI de um ponto de vista filosófico no Journal of the Polish Physical Society , argumentou que a temperatura não é uma unidade básica real, mas é uma média das energias térmicas das partículas individuais que compõem o corpo preocupado. Ele observou que em muitos artigos teóricos, a temperatura é representada pelas quantidades Θ ou β onde

e k é a constante de Boltzmann. Chyla reconheceu, entretanto, que no mundo macroscópico, a temperatura desempenha o papel de uma unidade básica porque grande parte da teoria da termodinâmica é baseada na temperatura.

O Comitê Consultivo de Termometria , parte do Comitê Internacional de Pesos e Medidas , publica uma mise en pratique (técnica prática), atualizada pela última vez em 1990, para medição de temperatura. Em temperaturas muito baixas e muito altas, ele freqüentemente liga a energia à temperatura por meio da constante de Boltzmann.

Intensidade luminosa

Foster argumentou que “a intensidade luminosa [a candela] não é uma quantidade física , mas uma quantidade fotobiológica que existe na percepção humana”, questionando se a candela deveria ser uma unidade base. Antes da decisão de 1979 de definir unidades fotométricas em termos de fluxo luminoso (potência) em vez de intensidades luminosas de fontes de luz padrão, já havia dúvidas se ainda deveria haver uma unidade base separada para fotometria. Além disso, houve acordo unânime de que o lúmen agora era mais fundamental do que a candela. No entanto, por uma questão de continuidade, a candela foi mantida como unidade base.

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

links externos