国际单位制基本单位的重新定义
前言
国际单位制以一组基本单位为基础,所有其他单位都是用基本单位建立起来的。麦克斯韦最初提出一致单位制的概念时,列出了三个可用的基本单位:质量、长度及时间单位。之后,吉奥尔吉提倡加入电的基本单位。理论上,电流、电势、电阻、电荷等物理量的单位都可以做基本单位,当选定其中一个做基本单位后,其余的电单位都可以通过物理定律从基本单位推导得出;国际单位制最终选择了使用电流。后期又加入了三个分别量度物质的量、温度及发光强度的基本单位。
国际单位制希望其单位定义的基准是源自于对自然的测量。但此单位制于 1799 在法国被引入时,由当时技术上的限制,因此利用了米原器与千克原器做为米与千克的定义。
1960 年,米的定义被改写为由特定光源所发出的光波长(后又改为根据真空光速定义),因此米定义的基准也成为了对自然测量的结果。现今,只留下了千克还是以人造的物品做为定义的基准。
2018 年 11 月 16 日,第 26 届国际计量大会一致通过了新国际单位制基本单位定义的提案。新的定义将于 2019 年 5 月 20 日生效。
国际度量衡局提案,除了光速以外,下列所示的四个自然常数也应被定义为确定的数值:
- 普朗克常数
- 基本电荷
- 玻尔兹曼常数
- 阿伏伽德罗常量
这些常数在 2006 年版的 SI 指南就已经出现,但在此版本中后三个常数被定义为「由实验所得的常数」,而不是直接的「定义常数」。
国际度量衡局也提案,以下这些自然常数的数值应继续保持不变。
- 光速
- 铯 133 原子基态超精细能级分裂频率
- 频率为
辐射的发光效率
这是以上七个定义改写为以基本单位表示的形式:
此外国际度量衡局也要求:
- 目前千克的定义应废除并使国际千克原器退休
- 目前安培的定义应废除
- 目前开尔文的定义应废除
- 目前摩尔的定义应修改
这些改变会影响到基本单位的定义,但对于导出单位的表达形式则不会有所影响。
改变历史
我们可以回顾国际单位制基本单位定义的改变历史。
米
最初(1793 年):从北极至赤道经过巴黎的子午线长度的一千万分之一。(法国政府)
过渡(1799 年):国际米原器的长度。
过渡(1960 年):氪 - 86 原子在
目前(1983 年):光在
千克
最初(1793 年):最初法文名为 grave,定义为在冰点下体积为一立方分米的纯水的重量(质量)。(法国政府)
目前(1889 年):国际千克原器的质量。
未来(2019 年):由精确的普朗克常数
秒
最初(中世纪):一天时长的 86,400 分之一。
过渡(1956 年):1900 年 1 月 0 日历书时 12 时算起的回归年时长的
目前(1967 年):铯 - 133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射周期时长的 9,192,631,770 倍。
安培
最初(1881 年):CGS 电磁单位制中电流单位的十分之一。CGS 电流单位的定义是,在半径为 1 厘米、长度为 1 厘米的圆弧上流通,并在圆心产生 1 奥斯特电场的电流。(国际电工委员会)
目前(1946 年):在真空中相距 1 米的两根横截面为圆形、粗度可忽略不计的无限长平行直导线,各通上相等的恒定电流,当两根导线之间每米长度所受力为
未来(2019 年):由新的元电荷
开尔文
最初(1743 年):摄氏温标将 0°C 和 100°C 分别定义为水的熔点和沸点。
过渡(1954 年):273.16K 定义为水的三相点(0.01°C)。
目前(1967 年):水的三相点热力学温度的
未来(2019 年):由新的玻尔兹曼常数
摩尔
最初(1900 年):物质的克数等于其分子量时的数量。(国际原子量委员会)
目前(1967 年):物质所含的粒子数量相等于 0.012 千克碳 - 12 所含的原子数量。
未来(2019 年):1 摩尔包含
坎德拉
最初(1946 年):整个辐射体在铂凝固温度下的亮度,定义为 60 新坎德拉每平方厘米。
目前(1979 年):频率为
依赖关系
由于定义的变化,这些单位之间的依赖关系也发生了改变。
不确定度
同样,由于定义的变化,一些物理量的不确定度也发生了改变。例如,真空磁导率
Constant | Symbol | Relation to directly measured and fixed constants (Previous) | Significant factor(s) in uncertainty (Previous) | Relative uncertainty (Previous) | Relation to directly measured and fixed constants (2019) | Significant factor(s) in uncertainty (2019) | Relative uncertainty (2019) |
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Mass of IPK | 1 kg | None | Exact | ||||
Planck constant | None | Exact | |||||
Josephson constant | None | Exact | |||||
Von Klitzing constant | None | Exact | |||||
Elementary charge | None | Exact | |||||
Magnetic constant | None | Exact | |||||
Vacuum permittivity | None | Exact | |||||
Impedance of free space | None | Exact | |||||
Electron mass | |||||||
Electron molar mass | |||||||
Unified atomic mass unit or dalton | |||||||
Molar mass constant | None | Exact | |||||
Avogadro constant | None | Exact | |||||
Atomic mass of carbon-12 | |||||||
Molar mass of carbon-12 | None | Exact | |||||
Faraday constant | None | Exact | |||||
Temperature of triple point of water | 273.16 K | None | Exact | ||||
Molar gas constant | None | Exact | |||||
Boltzmann constant | None | Exact | |||||
Stefan–Boltzmann constant | None | Exact |
注:其中,