Nawigacja

SI

Redefinicja SI

Autor : Aleksandra Gadomska
Opublikowane przez : Adam Żeberkiewicz

Główne wyzwania współczesnego świata, przed którymi stajemy dzisiaj, są mierzalne. Mierzymy świat w sekundach, metrach, kilogramach czy amperach. W przytłaczającej większości krajów stosujemy do tego Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI, który scala niemal cały świat w spójną metrologiczną całość.

Spójna, jednolita metrologia dba o nasze zdrowie, środowisko, wymianę handlową, naukę, technikę i bezpieczeństwo. Przed współczesną metrologią pojawia się jednak nowe wyzwanie w postaci redefinicji SI, która sprawi, że metrologia gotowa będzie sprostać wymaganiom nowoczesności XXI wieku.

Redefinicja SI - Dlaczego? W jakim celu? Co dzięki temu zyskamy?

Każdy, kto słyszy hasło „redefinicja SI”, na pewno stawia sobie takie pytania. Aby zrozumieć dlaczego jest to tak ważne i rewolucyjne, posłużymy się przykładowo jednostkami czasu i długości. W dziedzinach tych sytuacja jest niezwykle komfortowa i wiele innych dziedzin metrologicznych patrzyło przez lata zazdrosnym okiem na odtwarzanie jednostek miar tych właśnie wielkości. "Metrologiczny komfort" związany z tymi jednostkami jest możliwy dzięki wykorzystaniu do ich określenia stałych podstawowych. W dziedzinie czasu jednostka miary – sekunda – zdefiniowana jest jako ściśle określona liczba okresów promieniowania powstającego podczas zmiany stanu energetycznego atomu cezu (133Cs), a w dziedzinie długości – metr – zdefiniowany jest za pomocą naturalnej własności naszego wszechświata – prędkości światła.

Metrologiczna jednolitość i spójność jednostek miar na całym świecie wymaga szeregu działań ze strony instytucji odpowiedzialnych na szczeblu krajowym za utrzymanie państwowych wzorców jednostek miar. Jednym z kluczowych działań w tej dziedzinie są międzynarodowe porównania wzorców, które w dużej ogólności służą sprawdzeniu, jak dokładnie (i czy poprawnie) w danym kraju realizowana jest dana jednostka miary. W dziedzinach metrologii opartych na stałych podstawowych porównania te są znacznie ułatwione. Dziedzina czasu i częstotliwości jest tu najlepszym przykładem prostoty wykonania takich porównań, gdyż wykorzystując wzorce pierwotne oparte na oscylacjach w atomie cezu oraz technologie zdalnych porównań (czy to poprzez łącza światłowodowe, czy satelity systemów nawigacji satelitarnej, czy też geostacjonarne satelity telekomunikacyjne), w każdym momencie możemy porównać nasz wzorzec z innymi wzorcami z całego świata, po prostu wymieniając pliki z danymi i możemy to realizować praktycznie na bieżąco.

Zupełnie przeciwna sytuacja jest w dziedzinie masy, gdzie wzorzec kilograma jest ostatnim wzorcem materialnym (artefaktycznym). Swoisty „ostatni mohikanin” jest niewielkim walcem wykonanym z dużą dokładnością, jeśli chodzi o wymiary geometryczne, ze stopu platyny i irydu. Wzorzec międzynarodowy jednostki masy ukrywa się w piwnicach w Sèvres, szczelnie zamknięty przed wpływem czynników zewnętrznych. Takie same walce są w posiadaniu wszystkich krajów zrzeszonych konwencją metryczną i stanowią ich wzorce państwowe. Skąd więc możemy mieć pewność, że wykonany i wywzorcowany wzorzec masy przechowywany przez kilkadziesiąt lat, choć szczelnie zamknięty w jak najlepszych warunkach, waży wciąż kilogram? Aby zagwarantować spójność pomiarową w tej dziedzinie, realizowane są międzynarodowe porównania wszystkich wzorców państwowych z wzorcem międzynarodowym. Można sobie wyobrazić na jaką skalę jest to przedsięwzięcie. Dość powiedzieć, że takie porównania wykonywane są średnio co kilkadziesiąt lat. Pomimo najstaranniejszej opieki roztaczanej nad cennymi walcami, obserwuje się zmiany ich masy spowodowane czy to osadzaniem się na nich różnych cząsteczek obecnych w powietrzu, czy też erozji wywołanej również różnymi składnikami powietrza.

Sytuacja, zupełnie inna, choć nie tak skomplikowana jak w przypadku masy, istnieje również w dziedzinie wielkości elektrycznych. Niemal każdy na lekcjach fizyki słyszał o definicji ampera opartej na dwóch nieskończenie długich przewodnikach o znikomym przekroju. Obecnie odtwarzanie jednostki miary prądu elektrycznego zgodnie z tą definicją nie jest realizowane w praktyce. Do tego celu wykorzystuje się realizację jednostki miary napięcia elektrycznego wykorzystującej zjawisko Josephsona oraz realizację jednostki miary rezystancji opartej na kwantowym zjawisku Halla.

Rozwiązaniem opisanych (oczywiście tylko częściowo) problemów metrologicznych przy realizacji jednostek miar, zgodnie z obecnymi definicjami, jest wykorzystanie stałych podstawowych do ich zdefiniowania. Takie podejście ma wielką zaletę, jest bowiem zgodne z założeniami dzisiejszej nauki, iż podstawowe stałe fizyczne są w istocie stałe, a wzorce oparte na tych stałych mają szansę również pozostać niezmienne.

Redefinicja SI - „Stare” a „nowe” SI

Gruntowna „rewolucja” objęła cztery jednostki miar: kilogram, amper, mol i kelwin, jednak zadecydowano o przebudowaniu tekstów wszystkich definicji, tak aby po redefinicji miały jednolitą budowę. Poniższe zestawienie zawiera obecnie obowiązujące definicje jednostek miar oraz ich nowe, proponowane brzmienie. Nowe brzmienie definicji zostanie ostatecznie sformułowane i zatwierdzone podczas XXVI Generalnej Konferencji Miar, która odbędzie się w dniach 13-16 listopada 2018 roku. Nowe definicje jednostek miar zaczną obowiązywać od maja 2019 roku.

masa → kilogram → kg

Obecna definicja

jednostka masy, która jest równa masie międzynarodowego prototypu kilograma przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sèvres

Nowa, proponowana definicja

Kilogram, oznaczenie kg, to jednostka masy SI. Jest ona zdefiniowana poprzez ustaloną wartość liczbową stałej Plancka h, wynoszącą 6,626 070 015∙10-34, wyrażoną w jednostce J∙s, która jest równa kg∙m2∙s-1, przy czym metr i sekunda określone są poprzez c i ∆νCs

waga watta w amerykańskim instytucie metrologii NISTfot. NIST

długość → metr → m

Obecna definicja

długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299 792 458 sekundy

Nowa, proponowana definicja

Metr, oznaczenie m, to jednostka długości SI. Jest ona zdefiniowana poprzez ustaloną wartość liczbową prędkości światła w próżni c, wynoszącą 299 792 458, wyrażoną w jednostce m∙s-1, przy czym sekunda określona jest częstotliwością cezu ∆νCs

 

czas → sekunda → s

Obecna definicja

czas równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133

Nowa, proponowana definicja

Sekunda, oznaczenie s, to jednostka czasu SI. Jest ona zdefiniowana poprzez ustaloną wartość liczbową częstotliwości cezu ∆νCs, niezakłóconego stanu podstawowego częstotliwości nadsubtelnego przejścia atomu cezu 133, wynoszącą 9 192 631 770, wyrażoną w jednostce Hz, która równa się s-1

prąd elektryczny → amper → A

 

Obecna definicja

Prąd elektryczny niezmieniający się, który, płynąc w dwóch równoległych prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o przekroju kołowym znikomo małym, umieszczonych w próżni w odległości 1 metra od siebie, wywołałby między tymi przewodami siłę 2·10–7 niutona na każdy metr długości

Nowa, proponowana definicja

Amper, oznaczenie A, to jednostka prądu elektrycznego SI. Jest ona definiowana poprzez ustaloną wartość liczbową ładunku elementarnego e, wynoszącą 1.602 176 634∙10‑19, wyrażoną w jednostce C, która jest równa A∙s, gdzie sekunda określona jest poprzez ∆νCs

temperatura termodynamiczna → kelwin → K

Obecna definicja

1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody

Nowa, proponowana definicja

Kelwin, oznaczenie K, to jednostka temperatury termodynamicznej SI. Jest ona definiowana poprzez ustaloną wartość liczbową stałej Boltzmanna k, wynoszącą 1.380 649∙10-23, wyrażoną w jednostce J∙K-1, która jest równa kg∙m2∙s-2∙K-1, gdzie kilogram, metr i sekunda określone są poprzez h, c i ∆νCs

liczność materii → mol → mol

 

Obecna definicja

liczność materii układu zawierającego liczbę cząstek równą liczbie atomów w masie 0,012 kilograma węgla 12; przy stosowaniu mola należy określić rodzaj cząstek, którymi mogą być: atomy, cząsteczki, jony, elektrony, inne cząstki lub określone zespoły takich cząstek

Nowa, proponowana definicja

Mol, oznaczenie mol, to jednostka liczności materii SI. Jeden mol zawiera dokładnie 6,022 140 76∙1023 cząstek. Ta liczba jest ustaloną wartością liczbową stałej Avogadra NA wyrażonej w jednostce mol-1 i jest nazywana liczbą Avogadra. Liczność materii, symbol n, układu jest miarą liczby określonych cząstek. Cząstką może być atom, cząsteczka, jon, elektron, każda inna cząstka lub określona grupa cząstek.

 

światłość → kandela → cd

 

Obecna definicja

światłość źródła emitującego w określonym kierunku promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 540 · 1012 herców i o natężeniu promieniowania w tym kierunku równym 1/683 wata na steradian.

Nowa, proponowana definicja

Kandela, oznaczenie cd, to jednostka światłości kierunkowej SI. Jest ona definiowana poprzez przyjęcie, że wartość liczbowa skuteczności świetlnej monochromatycznego promieniowania, Kcd, o częstotliwości 540∙1012 Hz, wynosi 683, i jest wyrażona w jednostce lm∙W-1, która jest równa cd∙sr∙W-1 lub cd∙sr∙kg‑1∙m‑2∙s3, gdzie kilogram, metr i sekunda są definiowane poprzez h, c i ∆νCs