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国际单位制基本单位的重新定义

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重新定义前的国际单位制:基本单位的定义对其他基本单位的依赖(例如,米是由光在若干秒期间走过的路程定义的),并通过自然常量和人造物用以定义(例如,国际千克原器的质量用于定义千克)。
重新定义前的国际单位制基本单位的定义对其他基本单位的依赖(例如,是由在若干期间走过的路程定义的),并通过自然常量和人造物用以定义(例如,国际千克原器的质量用于定义千克)。
重新定义后的国际单位制:基本单位的定义仅依赖于数值确定的物理常数和由同一组常数定义的其他基本单位。
重新定义后的国际单位制:基本单位的定义仅依赖于数值确定的物理常数和由同一组常数定义的其他基本单位。

国际基本单位2019年新定义是指,在2018年11月16日,第26届国际计量大会一致通过了新的国际单位制基本单位定义的提案,[1][2][3]新定义于2019年5月20日生效。[4][5]

国际单位制希望其单位定义基准是源自于对自然的测量。但此单位制于1799年在法国被引入英语History of the metric system时,由当时之技术限制,因此利用了米原器千克原器来定义千克

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。2018年,只留下了千克仍是以人造的实物来定义。2019年新定义包括,停止使用“铂铱千克原器”定义一千克,改为用电磁力测量普朗克常数时衍生之数值[6]

重新定义

继1983年通过定义光速的确定数值以重新定义之后,由国际计量委员会的计量单位咨询委员会建议,并经国际计量局提案,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:

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”。

国际计量局也提案,以下这些自然常数的数值应继续保持不变。

  • 光速 c = 299792458 米每秒 (m·s-1)
  • 铯133原子基态超精细能级分裂频率 ΔνCs = 9192631770 赫兹 (Hz)
  • 频率为 540×1012 Hz 辐射的发光效率 Kcd = 683 流明瓦特 (lm·W-1)

根据更新的第9版SI手册(2018年),通过将所有导出单位改写为基本单位,以上七个定义在以下改写为以基本单位表示的形式。其中符号sr代表无量纲的球面度

  • h = 6.62607015×10−34 kg⋅m2⋅s−1
  • e = 1.602176634×10−19 A⋅s
  • k = 1.380649×10−23 kg⋅m2⋅K−1⋅s−2
  • NA = 6.02214076×1023 mol−1
  • c = 299792458 m⋅s−1
  • ΔνCs = Δν(133Cs)hfs = 9192631770 s−1
  • Kcd = 683 cd⋅sr⋅s3⋅kg−1⋅m−2

此外国际计量局也要求:

  • 目前千克的定义应废除,并且国际千克原器应退休,参见基布尔秤
  • 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。

对基本单位定义的影响

根据计量单位咨询委员会的提案,在2019年版本的定义中,所有基本单位的定义都将被改写或者重写。改写核心是将定义由“单位中心”变为“常数中心”。[9]

在“单位中心”的定义中,一个单位是由实物例子定义。比如自1889年至2019年,千克被定义为“国际千克原器的质量”,即国际千克原器的质量等于1千克。

在“常数中心”的定义中,自然常量被定以确定的值,单位的定义则通过自然常量的定值作为结果呈现。比如自1983年至今,光速被定义为每秒299,792,458米,而秒已经被定义,因而米这个单位也因而被定义了。

在2019年新定义中,坎德拉的定义实质上没有改变,只是文字上表达更为严格;千克安培开尔文摩尔则有根本上的重大改变。

值得注意的是,在两岸三地针对基本单位的翻译有所不同,详情请参考见下表

两岸SI单位制译名一览
英文原名 含义 中国大陆SI译名 香港SI译名 台湾SI译名
second 时间
meter 长度 公尺
kilogram 质量 千克 公斤
ampere 电流强度 安培
kelvin 热力学温度 开尔文 克耳文
mole 物质的量 摩尔 莫耳
candela 发光强度 坎德拉 烛光

秒的新定义实质上与现有的相同,但表达更为严格。

过去定义:
英文原文:The second is the duration of 9192631770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium-133 atom.
中文:133原子基态的两个超精细能级跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。
2019年定义:
英文决议原文:The second, symbol s, is the SI unit of time. It is defined by taking the fixed numerical value of the caesium frequency ΔνCs, the unperturbed ground-state hyperfine transition frequency of the caesium-133 atom, to be 9192631770 when expressed in the unit Hz, which is equal to s−1.
中文决议:,符号 s,SI 的时间单位。当铯的频率ΔνCs,即铯 133 原子基态的超精细能级跃迁频率以单位 Hz,即 s−1,表示时,将其固定数值取为9192631770来定义秒。[10]

米的新定义实质上与现有的相同,但表达更为严格。

过去定义:
英文原文:The metre is the length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of 1/299792458 of a second.
中文:光在真空中于1/299792458秒内行进的距离。
2019年定义:
英文决议原文:The metre, symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299792458 when expressed in the unit m⋅s−1, where the second is defined in terms of the caesium frequency ΔνCs.
中文决议:,符号 m,SI 的长度单位。当真空中光的速度 c 以 单位 m/s 表示时,将其固定数值取为 299 792 458 来 定义米,其中秒用ΔνCs定义。[10]

千克

千克的新定义有根本上的重大改变,它不再依赖人造物(国际千克原器),改以普朗克常数联系电磁波频率等效质量

过去定义:
英文原文:The kilogram is the unit of mass; it is equal to the mass of the international prototype of the kilogram.
中文:千克是一个质量单位;千克与国际千克原器的质量相等
2019年定义:
英文决议原文:The kilogram, symbol kg, is the SI unit of mass. It is defined by taking the fixed numerical value of the Planck constant h to be 6.62607015×10−34 when expressed in the unit J⋅s, which is equal to kg⋅m2⋅s−1, where the metre and the second are defined in terms of c and ΔνCs.
中文决议:千克,符号 kg,SI 的质量单位。当普朗克常数 h以 单位 J s,即 kg⋅m2⋅s−1,表示时,将其固定数值取为6.62607015×10−34来定义千克,其中米和秒用 cΔνCs定义。[10]

安培

安培的新定义有根本上的重大改变。旧定义中,安培与两条无限长且截面积可忽略的导体有关,这样的条件在现实中并不存在。因此,改用了基本电荷 e 重新定义安培,这样的条件可以在实验室中重现,同时较简单易明。在新定义中,安培只是跟“秒”有关,与“米”和“千克”无关。

过去定义:
英文原文:The ampere is that constant current which, if maintained in two straight parallel conductors of infinite length, of negligible circular cross-section, and placed 1 m apart in vacuum, would produce between these conductors a force equal to 2×10−7 newton per metre of length.
中文:真空中,截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内,通以等量恒定电流时,若导线间相互作用在每长度上的力为2×10–7牛顿,则每根导线中的电流为一安培。
2019年定义:
英文决议原文:The ampere, symbol A, is the SI unit of electric current. It is defined by taking the fixed numerical value of the elementary charge e to be 1.602176634×10−19 when expressed in the unit C, which is equal to A⋅s, where the second is defined in terms of ΔνCs.
中文决议:安培,符号 A,SI 的电流单位。当基本电荷 e,以单位 C,即 A·s,表示时,将其固定数值取为1.602176634×10−19来定义安培,其中秒用ΔνCs定义。[10]

开尔文

开尔文的新定义有根本上的重大改变。旧定义中,热力学温度单位与水的三相点有关,新定义以玻尔兹曼常数联系温度和能量。

过去定义:
英文原文:The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is 1/273.16 of the thermodynamic temperature of the triple point of water.
中文:开尔文,热力学温度单位,等于水的三相点的热力学温度的1/273.16
2019年定义:
英文决议原文:The kelvin, symbol K, is the SI unit of thermodynamic temperature. It is defined by taking the fixed numerical value of the Boltzmann constant k to be 1.380649×10−23 when expressed in the unit J⋅K−1, which is equal to kg⋅m2⋅s−2⋅K−1, where the kilogram, metre and second are defined in terms of h, c and ΔνCs.
中文决议:开尔文,符号 K,SI 的热力学温度单位。当玻尔兹曼常数k 以单位J⋅K−1,即 kg⋅m2⋅s−2⋅K−1,表示时,将其固定数值取为1.380649×10−23 来定义开尔文,其中千克、米和秒用h, cΔνCs定义。[10]

摩尔

摩尔的新定义有根本上的重大改变。原有定义中,摩尔与另一基本单位“千克”有关。新定义中,利用物理常数阿伏伽德罗数直接定义了摩尔。

过去定义:
英文原文:The mole is the amount of substance of a system that contains as many elementary entities as there are atoms in 0.012 kilogram of carbon-12. When the mole is used, the elementary entities must be specified and may be atoms, molecules, ions, electrons, other particles, or specified groups of such particles.
中文:1摩尔是指系统所含的基本微粒个数等于12克的碳-12。当使用摩尔时,基本粒子可以是原子、分子、 离子、电子,其它任意粒子或粒子的特定组合。
2019年定义:
英文决议原文:[11]:22
The mole, symbol mol, is the SI unit of amount of substance. One mole contains exactly 6.02214076×1023 elementary entities. This number is the fixed numerical value of the Avogadro constant, NA, when expressed in the unit mol−1 and is called the Avogadro number.[12][13]
The amount of substance, symbol n, of a system is a measure of the number of specified elementary entities. An elementary entity may be an atom, a molecule, an ion, an electron, any other particle or specified group of particles.
中文决议:[11]:22
摩尔,符号 mol,SI 的物质的量的单位。1 摩尔精确包含 6.02214076×1023个基本粒子。该数即为以单位mol−1表示的阿伏伽德罗常数NA的固定数值,称为阿伏伽德罗数
一个系统的物质的量,符号 n,是该系统包含的特定基本粒子数量的量度。基本粒子可以是原子、分子、 离子、电子,其它任意粒子或粒子的特定组合。[10]

坎德拉

坎德拉的新定义实质上与现有的相同,但表达更为严格。

过去定义:
英文原文:The candela is the luminous intensity, in a given direction, of a source that emits monochromatic radiation of frequency 540×1012 Hz and that has a radiant intensity in that direction of 1/683 watt per steradian.
中文:坎德拉是发出 540 x 1012 Hz 频率的单色辐射源在给定方向上的发光强度,该方向上的辐射强度为 1/683 W/sr。
2019年定义:
英文决议原文:The candela, symbol cd, is the SI unit of luminous intensity in a given direction. It is defined by taking the fixed numerical value of the luminous efficacy of monochromatic radiation of frequency 540×1012 Hz, Kcd, to be 683 when expressed in the unit lm⋅W−1, which is equal to cd⋅sr⋅W−1, or cd⋅sr⋅kg−1⋅m−2⋅s3, where the kilogram, metre and second are defined in terms of h, c and ΔνCs.
中文决议:坎德拉,符号 cd,SI 的给定方向上发光强度的单位。 当频率为540×1012 Hz的单色辐射的发光效率以单位lm⋅W−1,即cd⋅sr⋅W−1, 或 cd⋅sr⋅kg−1⋅m−2⋅s3,表示时,将其固定数值取为 683 来定义坎德拉,其中千克、米、秒 分别用 h, cΔνCs定义。[10]

对现有定义的影响

基本物理常数的不确定性

常数 符号 先前的定义 2019年的定义
与直接测量的和固定的常数的关系 主要的不确定性因子 相对不确定性 与直接测量的和固定的常数的关系 主要的不确定性因子 相对不确定性
国际千克原器的质量[Note 1] 1 kg None Exact
普朗克常数 6.62607015×10−34 kg⋅m2⋅s−1 None Exact
约瑟夫森常数(磁通量量子的倒数) None Exact
冯·克利青常数 None Exact
基本电荷 1.602176634×10−19 A⋅s None Exact
真空磁导率 4π×10−7 m⋅kg⋅s−2⋅A−2 None Exact
真空电容率 None Exact
自由空间阻抗 None Exact
电子质量
电子的摩尔质量
原子质量单位(即道尔顿)
摩尔质量常数 0.001 kg⋅mol−1 None Exact
阿伏伽德罗常数 6.02214076×1023 mol−1 None Exact
C-12的原子的质量
C-12的摩尔质量 0.012 kg⋅mol−1 None Exact
法拉第常数 [Note 2] None Exact
三相点温度 273.16 K None Exact
摩尔气体常数 None Exact
玻尔兹曼常数 1.380649×10−23 kg⋅m2⋅K−1⋅s−2 None Exact
斯特藩-玻尔兹曼常数 None Exact

(注:上表中:代表真空光速代表精细结构常数代表里德伯常数

注释

  1. ^ 理论上来讲,国际千克原器已经不再作为一个基本物理常数。因为本次重新定义后,千克与国际千克原器不再有关。
  2. ^ Although the calculation of the uncertainty implies that the fine structure constant isn't a significant factor, because of rounding errors, the uncertainty in fine structure constant does have an effect on the determined value.

外部链接

参考资料

  1. ^ Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. NIST. 16 November 2018 [16 November 2018]. (原始内容存档于2018-11-18). 
  2. ^ Milton, Martin. Highlights in the work of the BIPM in 2016 (PDF). SIM XXII General Assembly. Montevideo, Uruguay: 10. 14 November 2016 [2018-11-18]. (原始内容 (PDF)存档于2017-09-01).  The conference ran from 13–16 November and the vote on the redefinition was scheduled for the last day.
  3. ^ The Associated Press. The Latest: Landmark Change to Kilogram Approved. The New York Times. [2018-11-17]. (原始内容存档于2018-11-16). 
  4. ^ BIPM statement: Information for users about the proposed revision of the SI (PDF), [2018-11-18], (原始内容存档 (PDF)于2018-01-21) 
  5. ^ "Decision CIPM/105-13 (October 2016)" 页面存档备份,存于互联网档案馆. The day is the 144th anniversary of the Metre Convention 页面存档备份,存于互联网档案馆.
  6. ^ 和百年公斤原器说再见!七大国际单位制将改头换面. 泛科学. 2017-01-09 [2018-03-19]. (原始内容存档于2018-03-19). 
  7. ^ Draft Resolution A "On the revision of the International System of units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) (PDF), [2018-11-18], (原始内容存档 (PDF)于2018-04-29) 
  8. ^ Newell, David B.; Cabiati, F.; Fischer, J.; Fujii, K.; Karshenboim, S. G.; Margolis, H. S.; de Mirandés, E.; Mohr, P. J.; Nez, F.; Pachucki, K.; Quinn, T. J.; Taylor, B. N.; Wang, M.; Wood, B. M.; Zhang, Z. The CODATA 2017 Values of h, e, k, and NA for the Revision of the SI. Metrologia (Committee on Data for Science and Technology (CODATA) Task Group on Fundamental Constants (TGFC)). 20 October 2017, 55 (1): L13. Bibcode:2018Metro..55L..13N. doi:10.1088/1681-7575/aa950a. 
  9. ^ Mills, Ian. Part II – Explicit-Constant Definitions for the Kilogram and for the Mole. Chemistry International. September–October 2011, 33 (5): 12–15 [2018-11-19]. ISSN 0193-6484. (原始内容存档于2017-07-09). 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 大会决议中文版 (PDF). 中国计量科学研究院. [2019-02-03]. 
  11. ^ 11.0 11.1 引用错误:没有为名为cipm_106的参考文献提供内容
  12. ^ CIPM Report of 106th Meeting 互联网档案馆存档,存档日期27 January 2018. Retrieved 7 April 2018
  13. ^ Redefining the Mole. NIST. NIST. 23 October 2018 [24 October 2018]. 
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