Просмотр кода страницы Изменения определений основных единиц СИ (2019)

{{TOCright}}
В 2019 году вступили в силу '''изменения определений основных единиц Международной системы единиц (СИ)''', состоящие в том, что [[основные единицы СИ]] стали определяться через фиксированные значения [[Фундаментальные физические постоянные|фундаментальных физических постоянных]]. При этом величины всех единиц остались неизменными, однако из их определений окончательно исчезла привязка к материальным эталонам. Подобные изменения предлагались давно, однако лишь к началу XXI века это стало возможно. Окончательное решение об изменениях было принято XXVI Генеральной конференцией по мерам и весам в 2018 году.

== Содержание изменений ==
[[Международная система единиц]], СИ, включает 7 основных единиц измерения: [[секунда]], [[метр]], [[килограмм]], [[ампер]], [[кельвин]], [[Моль (единица измерения)|моль]], [[кандела]], а также ряд их производных единиц<ref name="units" />.

До изменений килограмм определялся как масса одного конкретного эталона — международного прототипа килограмма. Это определение обладало некоторыми недостатками. Другие основные единицы не были привязаны к конкретным артефактам, но некоторые определения также оказались неудобны (и к тому же сами по себе опирались на определения килограмма){{sfn|Stock et al|2019|pp=3—4}}.

Изменения относятся ко всей СИ. Непосредственно они затрагивают определения килограмма, ампера, кельвина и моля: теперь эти единицы определяются через фиксированные значения [[элементарный электрический заряд|элементарного электрического заряда]] и постоянных [[постоянная Планка|Планка]], [[постоянная Больцмана|Больцмана]] и [[Число Авогадро|Авогадро]]<ref name="NewDefs" />.

Соблюдается преемственность СИ: в результате изменений величина всех единиц измерения не изменилась; численное значение результатов измерений, выраженных в старых единицах, таким образом, тоже не изменилось (кроме некоторых электрических величин, о чём сказано далее). Однако некоторые величины, которые ранее были определены точно, стали экспериментально определяемыми{{sfn|Stock et al|2019|p=2}}.

== Новое определение СИ ==
Международная система единиц, СИ, — это система единиц, в которой{{sfn|Брошюра СИ|2019|с=15—16, 127—128}}:
* частота [[Сверхтонкая структура|сверхтонкого расщепления]] основного состояния [[атом]]а [[Цезий-133|цезия-133]] {{math|Δ''ν''<sub>Cs</sub>}} в точности равна {{val|9192631770|u=с<sup>−1</sup>}};
* [[скорость света]] в [[вакуум]]е {{math|''c''}} в точности равна {{val|299792458|u=м/с}};
* [[постоянная Планка]] {{math|ℎ}} в точности равна 6,626 070 15{{e|−34}} кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−1</sup>;
* [[элементарный электрический заряд]] {{math|''e''}} в точности равен 1,602 176 634{{e|−19}} А·с;
* [[постоянная Больцмана]] {{math|''k''}} в точности равна 1,380 649{{e|−23}} кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−2</sup>·К<sup>−1</sup>;
* [[Число Авогадро|постоянная Авогадро]] {{math|''N''<sub>A</sub>}} в точности равна 6,022 140 76{{e|23}} моль<sup>−1</sup>;
* [[световая эффективность]] {{math|''K''<sub>cd</sub>}} [[Монохроматическое излучение|монохроматического излучения]] частотой {{val|540|e=12|u=с<sup>−1</sup>}} в точности равна 683 кд·[[Стерадиан|ср]]·кг<sup>−1</sup>·м<sup>−2</sup>·с<sup>3</sup>.

Можно придать этому определению форму набора определений основных единиц{{sfn|Брошюра СИ|2019|с=18—23, 130—135|name=units}}. Этот набор определений приведён в статье {{ссылка на раздел|Основные единицы СИ|Основные единицы}}.

== Влияние изменений на основные единицы ==
{{Кратное изображение
|заголовок = Основные единицы СИ и определяющие их константы до и после реформы <br> <div style="font-weight: normal; text-align: left;">На схемах во внутреннем кольце показаны основные единицы: секунда (с), метр (м), ампер (А), кельвин (К), кандела (кд), моль (моль), килограмм (кг). Каждая единица выражается через константы, показанные во внешнем кольце, от которых к ней идут стрелки.</div>
|зона      = center

|изобр1    = Unit-constant relations in the old SI ru.svg
|ширина1   = 350
|подпись1  = '''СИ до реформы'''<ref name="Introduction2018">{{публикация|статья|автор=Richard S. Davis|заглавие=How to Define the Units of the Revised SI Starting from Seven Constants with Fixed Numerical Values|издание=Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology|год=2018|volume=123|pages=123021|doi=10.6028/jres.123.021}}</ref>. Определяющие константы: <br> {{math|Δ''ν''<sub>Cs</sub>}} — частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия, {{math|''c''}} — скорость света, {{math|''μ''<sub>0</sub>}} — магнитная постоянная, {{math|''T''<sub>TPW</sub>}} — температура тройной точки воды, {{math|''K''<sub>cd</sub>}} — световая эффективность излучения определённой частоты, {{math|''m''(<sup>12</sup>C)}} — масса атома углерода, {{math|''M''<sub>IPK</sub>}} — масса международного прототипа килограмма.

|изобр2    = Unit-constant relations in the new SI ru.svg
|ширина2   = 350
|подпись2  = '''СИ после реформы'''<ref name="Introduction2018" /><ref name="Introduction2019" />. Часть определяющих констант заменены новыми: элементарный заряд {{math|''e''}}, постоянные Больцмана {{math|''k''}}, Авогадро {{math|''N''<sub>A</sub>}} и Планка {{math|ℎ}}.
}}

=== Секунда и метр ===
Определения секунды и метра содержательно не изменились, однако были переформулированы для соблюдения стилевого единства определений{{sfn|Брошюра СИ|2019|с=92—94, 197—199|name=NewDefs}}.

=== Килограмм ===
Величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка {{math|ℎ}} в единицах кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−1</sup> (с учётом установленных значений секунды и метра)<ref name="NewDefs" /><ref name="Introduction2019">{{публикация|статья|автор=Richard Davis|заглавие=An introduction to the revised international system of units (SI)|издание=IEEE Instrumentation & Measurement Magazine|год=2019|issue=3|volume=22|pages=4—8|doi=10.1109/MIM.2019.8716268}}</ref>.

Ранее килограмм определялся как масса международного прототипа килограмма. В результате изменений массы всех эталонов килограмма, восходящих к международному прототипу килограмма, приобрели дополнительную погрешность 10 мкг, поскольку масса самого прототипа теперь равна 1 кг именно с такой погрешностью<ref>{{cite web|title=Note on the impact of the redefinition of the kilogram on BIPM mass calibration uncertainties|url=https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCM/BIPM_Note-on-kilogram-redefinition.pdf|website=BIPM|accessdate=2019-06-09|archive-date=2019-05-27|archive-url=https://web.archive.org/web/20190527194632/https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCM/BIPM_Note-on-kilogram-redefinition.pdf|deadlink=no}}</ref>.
Хотя международный прототип килограмма более не служит эталоном килограмма как единицы СИ, он по-прежнему хранится в Международном бюро мер и весов, максимально защищённый от внешних воздействий<ref name="faq">{{cite web|title=Frequently Asked Questions about the revision of the SI that came into force on 20 May 2019|url=https://www.bipm.org/documents/20126/41483022/SI-FAQs-EN.pdf|website=BIPM|accessdate=2021-10-12|archive-date=2021-10-12|archive-url=https://web.archive.org/web/20211012142749/https://www.bipm.org/documents/20126/41483022/SI-FAQs-EN.pdf|deadlink=no}}</ref>.

=== Ампер ===
Величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного электрического заряда {{math|''e''}} в единицах А⋅с. Кроме того, отменены ранее рекомендованные для реализации [[вольт]]а и [[ом]]а фиксированные значения [[Постоянная Джозефсона|постоянной Джозефсона]] {{math|''K''<sub>J-90</sub>}} и [[Постоянная фон Клитцинга|постоянной фон Клитцинга]] {{math|''R''<sub>K-90</sub>}}<ref name="NewDefs" />.

Измеренные значения и шкалы напряжений и сопротивлений изменились на долю порядка 10<sup>−7</sup> и 10<sup>−8</sup>, соответственно, однако это связано не с изменением определений основных единиц, а с тем, что ранее для реализации единиц напряжения и сопротивления были рекомендованы фиксированные значения постоянных Джозефсона и фон Клитцинга, не согласованные с остальной СИ<ref>{{cite web|title=CCEM Guidelines for Implementation of the ‘Revised SI’|url=https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCEM/ccem_guidelines_revisedSI.pdf|website=BIPM|accessdate=2019-06-09|archive-date=2018-10-05|archive-url=https://web.archive.org/web/20181005021747/https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCEM/ccem_guidelines_revisedSI.pdf|deadlink=no}}</ref>.

=== Кельвин ===
Величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана {{math|''k''}} в единицах кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−2</sup>·К<sup>−1</sup>. При этом через определяющие константы кельвин выражается как {{math|ℎ Δ''ν''<sub>Cs</sub>/''k''}} с определённым безразмерным множителем, то есть его величина в действительности не связана со скоростью света и величиной метра, несмотря на то что в единицу для {{math|''k''}}, выраженную через основные единицы, входит метр<ref name="NewDefs" /><ref name="Introduction2018" /><ref name="Introduction2019" />.

=== Моль ===
Величина моля устанавливается фиксацией численного значения постоянной Авогадро {{math|''N''<sub>A</sub>}}<ref name="NewDefs" />.

=== Кандела ===
Определение канделы содержательно не изменилось, не считая того, что оно связано с другими единицами, а их определения изменились<ref name="NewDefs" /><ref name="Introduction2019" />.

== Предпосылки, подготовка и принятие ==
Международная система единиц, СИ, была принята в 1960 году и дополнялась и корректировалась [[Международное бюро мер и весов|Международным бюро мер и весов]] (BIPM) в последующие годы. Более 50 лет в СИ сохранялось определение килограмма, которое действовало ещё с 1889 года: 1 килограмм — это масса международного прототипа килограмма {{math|''M''<sub>IPK</sub>}} (более того, и в XIX веке килограмм тоже определялся через материальный эталон). Это создавало трудности: и сам прототип, и его копии со временем изменяют массу ввиду загрязнения и износа; однозначно установить направление изменения можно лишь для копий относительно прототипа; при этом для минимизации изменений массы прототипа его сравнение с копиями производилось крайне редко, и в промежутках между сравнениями накапливались ошибки ввиду изменения масс копий — а поскольку иного способа воспроизвести килограмм не было, все пользователи стандарта килограмма (национальные метрологические организации) получали значение килограмма с этими ошибками. Предложения изменить определение килограмма через фиксацию значения какой-либо природной постоянной, подобно тому, как это было сделано с метром, звучали давно и регулярно, однако лишь к началу XXI века точность экспериментов стала достаточной, чтобы реализовать эту идею{{sfn|Stock et al|2019|pp=1—2}}.

Сообщества специалистов по метрологии в различных областях науки и техники также поддержали идею изменений. Практическая реализация единиц напряжения и сопротивления опиралась не на определение ампера, а на фиксированные значения постоянных [[Постоянная Джозефсона|Джозефсона]] и [[Квант электрического сопротивления|фон Клитцинга]]; отказ от этих фиксированных значений с одновременной фиксацией {{math|''e''}} и {{math|ℎ}} сделал бы единицы из области электричества и магнетизма согласованными с остальной СИ. Единица температуры определялась через фиксацию температуры тройной точки воды {{math|''T''<sub>TPW</sub>}}, однако эта температура зависит от изотопного состава воды и примесей в ней, и к тому же такое определение плохо подходит к очень низким и очень высоким температурам — переопределение кельвина через фиксацию {{math|''k''}} решало эти проблемы. Наконец, поскольку концепция количества вещества не связана с массой частиц, было предложено заодно изменить определение моля, отвязав его от массы атома углерода-12 {{math|''m''(<sup>12</sup>C)}} и привязав к фиксированному значению {{math|''N''<sub>A</sub>}}{{sfn|Stock et al|2019|pp=2—3}}.

Можно было бы избавиться и от привязки системы единиц к определённому электронному переходу в определённом изотопе, оставшейся в определении секунды, зафиксировав вместо него ещё одну фундаментальную постоянную — например, [[Гравитационная постоянная|гравитационную постоянную]], как это делается, например, в [[Планковские единицы|планковской системе единиц]]. Однако неопределённость измеренного значения гравитационной постоянной слишком велика для этого<ref>{{публикация|статья|автор=C. Rothleitner and S. Schlamminger|заглавие=Invited Review Article: Measurements of the Newtonian constant of gravitation, G|издание=Review of Scientific Instruments|год=2017|volume=88|pages=111101|doi=10.1063/1.4994619}}</ref>.

Изменения в том виде, в каком они были приняты, восходят к предложению 2006 года{{sfn|Stock et al|2019|p=2}}. Основные принципы реформы и требования к точности измерений значений физических констант, необходимых для реформы, принимались на [[Генеральные конференции по мерам и весам|Генеральных конференциях по мерам и весам]] в 2011 и 2014 годах<ref name="Resolution2018" />.

[[Файл:NIST-4 Kibble balance.jpg|thumb|Весы Киббла в [[Национальный институт стандартов и технологий|NIST]]]]
В рамках подготовки изменений в 2014 году было проведено внеочередное сравнение массы международного прототипа килограмма с его копиями. Различные научные группы по всему миру провели измерения фундаментальных констант, чтобы снизить погрешность до требуемого уровня. Рабочая группа [[CODATA]] по фундаментальным константам собрала эти данные во внеочередном выпуске набора значений констант 2017 года, и на основании этих значений были выбраны фиксированные значения для новой СИ{{sfn|Stock et al|2019|pp=3—10}}.

Решение об изменениях в СИ и конкретные значения физических постоянных были окончательно приняты 16 ноября 2018 года, когда за них единогласно проголосовали участники XXVI Генеральной конференции по мерам и весам<ref name="Resolution2018">{{cite web|title=Resolution 1 of the 26th CGPM (2018)|url=https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1|website=BIPM|accessdate=2021-10-12|archive-date=2021-08-26|archive-url=https://web.archive.org/web/20210826224608/https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1|deadlink=no}}</ref>. Новые определения СИ вступили в силу 20 мая 2019, в [[день метрологии]]<ref>{{cite web |title=The International System of Units - making measurements fundamentally better |url=https://www.bipm.org/en/-/2019-wmd-fundamentally |website=BIPM |accessdate=2021-10-12 |archive-date=2021-07-04 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210704100942/https://www.bipm.org/en/-/2019-wmd-fundamentally |deadlink=no }}</ref>.

Для каждой из основных единиц в новой СИ определены рекомендованные методы для практической реализации единиц. Так, для килограмма это [[весы Киббла]] и рентгеновский анализ плотности кристалла (XRCD)<ref>{{cite web |title=Practical realizations of the definitions of some important units |url=https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/ |website=BIPM |accessdate=2019-06-10 |archive-date=2020-04-09 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200409115245/http://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/ |deadlink=no }}</ref>.

Обновлённая СИ допускает дальнейшие изменения. В частности, прогресс в области измерения частот электромагнитных волн и конструировании [[Атомные часы|атомных часов]] позволяет ожидать, что примерно через десятилетие секунда будет переопределена через частоту какого-то другого электронного перехода<ref>{{публикация|статья|автор=Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias and Lennart Robertsson|заглавие=The CIPM list of recommended frequency standard values: guidelines and procedures|издание=Metrologia|год=2018|volume=55|pages=188|doi=10.1088/1681-7575/aaa302}}</ref>.

== Недостатки ==
Поскольку [[атомная единица массы]] по-прежнему определяется через массу атома углерода-12, она перестала быть равна в точности 1 грамму, делённому на число Авогадро. Некоторые авторы критикуют новую СИ, указывая, что фиксация атомной единицы массы вместо постоянной Планка решила бы данную проблему, а аргументы, которые привели к выбору постоянной Планка в 2000-х годах, к 2010-м годам утратили силу<ref>{{публикация|статья|автор=Бронников К. А., Иващук В. Д., Калинин М. И., Мельников В. Н., Хрущёв В. В.|заглавие=О выборе фиксируемых фундаментальных констант для новых определений единиц СИ|издание=Измерительная техника|год=2016|номер=8|ссылка=https://elibrary.ru/item.asp?id=26690493|страницы=11—15}}</ref>.

[[Электрическая постоянная]] и [[магнитная постоянная]] в СИ до изменений имели точные значения: <math>\varepsilon_0=\frac{1}{4\pi c^2}\cdot10^7</math> м/[[Генри (единица измерения)|Гн]] и <math>\mu_0=4\pi \cdot10^{-7}</math> Гн/м. После реформы эти равенства стали соблюдаться не абсолютно точно, а до девяти значащих цифр, приобретя ту же относительную погрешность, что и [[постоянная тонкой структуры]] <math>\alpha=\frac{e^2}{2\varepsilon_0 h c}</math>. Из этого, в частности, следует, что коэффициенты для перевода между единицами СИ и различными вариантами системы [[СГС]] перестали быть точными, фиксированными величинами, поскольку они выражаются через магнитную постоянную. Этого можно было избежать, если бы был зафиксирован не элементарный заряд <math>e</math>, а прежнее значение магнитной постоянной или, что равносильно при фиксированных <math>h</math> и <math>c</math>, [[планковский заряд]] <math>e/\sqrt{\alpha}</math>. Однако этот вариант был отвергнут, поскольку предыдущая реализация стандартов величин, связанных с электричеством и магнетизмом, была основана на фиксированных постоянных Джозефсона и фон Клитцинга, что равносильно фиксации постоянной Планка и элементарного заряда, поэтому переход к новой системе оказывался легче при фиксации именно элементарного заряда<ref>{{публикация|статья|автор=Ronald B. Goldfarb|заглавие=The Permeability of Vacuum and the Revised International System of Units|издание=IEEE Magnetics Letters|volume=8|doi=10.1109/LMAG.2017.2777782}}</ref>.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{публикация|книга|заглавие=Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI) |ссылка= https://www.bipm.org/documents/20126/41483022/SI-Brochure-9.pdf |издательство=BIPM |год=2019 |isbn=978-92-822-2272-0 |издание=9-е изд. |инфо={{lgs|fr|en}} |ref=Брошюра СИ}}
** Русский перевод: {{публикация|книга|заглавие= Международная система единиц (SI)|ссылка= https://www.vniim.ru/si-2019.html |издательство=Росстандарт |год=2019 |isbn= |издание=9-е изд. |ref=}}
* {{публикация|статья|автор=Michael Stock, Richard Davis, Estefanía de Mirandés and Martin J. T. Milton|заглавие=The revision of the SI—the result of three decades of progress in metrology|издание=Metrologia|год=2019|ref=Stock et al |volume=56 |номер=022001 |doi=10.1088/1681-7575/ab0013}}

{{ВС}}
{{Единицы СИ}}
{{Добротная статья|Физика}}

[[Категория:СИ]]
[[Категория:2018 год в науке]]
[[Категория:2019 год в науке]]