Перегляд вихідного коду сторінки Зміни визначень основних одиниць (SI)

[[Файл:SI Brochure - Brochure sur le SI (2019) (Cover).pdf|thumb|280px|9-та редакція Брошури SI, опублікована у 2019 році за результатами перегляду основних одиниць SI]]
'''Зміни визначень основних одиниць Міжнародної системи одиниць (SI)''', які набули чинності у 2019 році, полягають у тому, що усі [[основні одиниці SI]] стали визначатись через фіксовані значення [[Фізичні константи|фундаментальних фізичних констант]]. При цьому величини цих одиниць залишились незмінними, однак з їх визначень остаточно зникли прив'язки до матеріальних еталонів. Зміни такого роду пропонувались давно, однак лише на початку XXI століття це стало можливим. Остаточне рішення про зміни було ухвалене XXVI Генеральною конференцією з мір і ваг у 2018 році.

== Сутність змін ==
[[Міжнародна система одиниць (SI)]] ґрунтується на семи основних одиницях вимірювання: [[секунда]], [[метр]], [[кілограм]], [[ампер]], [[кельвін]], [[моль]], [[кандела]], а також містить низку [[Похідні одиниці SI|похідних одиниць]]{{sfn|Брошура SI|2019|с=18—23, 130—135}}.

До зроблених змін кілограм визначався як маса одного конкретного еталона&nbsp;— міжнародного прототипу кілограма. Це визначення мало деякі недоліки. Інші основні одиниці не були прив'язані до конкретних артефактів, але деякі з них також виявились незручними (і до того ж самі по собі ґрунтувались на визначенні кілограма){{sfn|Stock et al|2019|pp=3—4}}.

Зміни стосуються усієї SI, але безпосередньо вони торкаються визначення кілограма, ампера, кельвіна і моля: тепер ці одиниці визначаються через фіксовані значення [[елементарний електричний заряд|елементарного електричного заряду]] і констант [[Стала Планка|Планка]], [[Стала Больцмана|Больцмана]] та [[Число Авогадро|Авогадро]]<ref name=NewDefs>Брошура SI, 2019, с.92—94, 197—199.</ref>.

Спостерігається наступність SI: в результаті зроблених змін величина усіх одиниць вимірювання змін не зазнала; отже і числове значення результатів вимірювань, виражених у старих одиницях, також змін не зазнало (за виключенням деяких електричних величин, про що далі буде сказано). Однак деякі величини, що раніше були визначені точно, стали визначуваними експериментально{{sfn|Stock et al|2019|p=2}}.

== Нові визначення SI ==
Міжнародна система одиниць (SI),&nbsp;— це система одиниць, у якій обрано сім визначальних констант, через які може бути виражена будь-яка одиниця SI{{sfn|Брошура SI|2019|с=15—16, 127—128}}:
* частота [[Надтонка структура|надтонкого розщеплення]] основного стану [[атом]]а [[Цезій|цезію-133]] {{math|Δ''ν''<sub>Cs</sub>}} точно дорівнює {{val|9192631770|u=Гц}};
* [[швидкість світла]] у [[вакуум]]і {{math|''c''}} точно дорівнює {{val|299792458|u=м/с}};
* [[стала Планка]] {{math|ℎ}} точно дорівнює 6,62607015{{e|−34}} кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−1</sup>;
* [[елементарний електричний заряд]] {{math|''e''}} точно дорівнює 1,602176634{{e|−19}} А·с;
* [[стала Больцмана]] {{math|''k''}} точно дорівнює 1,380649{{e|−23}} Дж/К;
* [[Число Авогадро|стала Авогадро]] {{math|''N''<sub>A</sub>}} точно дорівнює 6,02214076{{e|23}} моль<sup>−1</sup>;
* [[світлова віддача]] {{math|''K''<sub>cd</sub>}} [[Монохроматичне випромінювання|монохроматичного випромінювання]] частотою {{val|540|e=12|u=Гц}} точно дорівнює 683 лм/Вт.

Особливості визначення [[Основні одиниці SI|основних одиниць SI]], що набрали чинності з 2019 року такі{{sfn|Брошура SI|2019|с=18—23, 130—135|name=units}}:
* Величина [[Секунда|секунди]] встановлюється через фіксування числового значення частоти [[Надтонка структура|надтонкого розщеплення]] основного стану атома цезію-133 за температури 0 К, що дорівнює точно 9192631770, коли вона виражена одиницею SI с<sup>−1</sup>, що еквівалентна Гц.
* Величина метра встановлюється через фіксування числового значення швидкості світла у вакуумі, що дорівнює точно 299792458, коли вона виражена одиницею SI м·с<sup>−1</sup>.
* Величина кілограма встановлюється через фіксування числового значення [[Стала Планка|сталої Планка]] ''h'', яка точно дорівнює 6,62607015 × 10<sup>−34</sup>, коли вона виражена в Дж•с.
* Величина ампера встановлюється через фіксування числового значення елементарного заряду ''e'', який дорівнює 1,602176634 × 10<sup>−19</sup>, коли він виражений в [[Кулон (одиниця)|кулонах]].
* Величина кельвіна встановлюється через фіксування числового значення [[Стала Больцмана|сталої Больцмана]] ''k'', яка точно дорівнює 1,380649 × 10<sup>−23</sup>, коли вона виражена в Дж/К.
* Один моль містить рівно 6,02214076 × 10<sup>23</sup> елементарних сутностей. Це число&nbsp;— фіксоване значення [[Число Авогадро|сталої Авогадро]] NA, вираженого в одиницях моль<sup>−1</sup>.
* Величина кандели встановлюється через фіксування числового значення сили світла монохроматичного випромінювання частотою 5401012 Гц яка точно дорівнює 683, коли вона виражена одиницями SI м<sup>−2</sup>·кг<sup>−1</sup>·с<sup>3</sup>·кд·ср або кд·ср·Вт<sup>−1</sup>, що еквівалентне лм·Вт<sup>−1</sup>.

== Вплив змін на основні одиниці ==
[[Файл:Unit-constant relations in the old SI uk.png|thumb|312px|SI до реформи<ref name="Introduction2018">{{стаття|автор=Richard S. Davis|заглавие=How to Define the Units of the Revised SI Starting from Seven Constants with Fixed Numerical Values|видання=Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology|рік=2018|том=123|сторінки=123021|doi=10.6028/jres.123.021}}</ref>. У внутрішньому кільці показані основні одиниці: секунда (с), метр (м), ампер (А), кельвін (К), кандела (кд), моль (моль), кілограм (кг). Величина кожної основної одиниці SI виражається через ті константи, від яких до них йдуть стрілки. Константи зображені у зовнішньому кільці: {{math|Δ''ν''<sub>Cs</sub>}}&nbsp;— частота надтонкого розщеплення основного станц атома цезію, {{math|''c''}}&nbsp;— швидкість світла, {{math|''μ''<sub>0</sub>}}&nbsp;— магнітна стала, {{math|''T''<sub>TPW</sub>}}&nbsp;— температура потрійної точки води, {{math|''K''<sub>cd</sub>}}&nbsp;— світлова ефективність випромінювання певної частоти, {{math|''m''(<sup>12</sup>C)}}&nbsp;— маса атома вуглецю, {{math|''M''<sub>IPK</sub>}}&nbsp;— маса міжнародного прототипу кілограма]]
[[Файл: Unit-constant relations in the new SI uk.png|thumb|312px|SI після реформи<ref name="Introduction2018" /><ref name="Introduction2019" />. Частину визначальних констант замінено новими: елементарний заряд {{math|''e''}}, сталі Больцмана {{math|''k''}}, Авогадро {{math|''N''<sub>A</sub>}} і Планка {{math|''h''}}.]]

=== Секунда і метр ===
Визначення секунди і метра змістовно не змінились, однак їх було переформульовано для дотримання стильової єдності визначень<ref name="NewDefs" />.

=== Кілограм ===
Величина кілограма встановлюється фіксацією числового значення сталої Планка {{math|ℎ}} в одиницях кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−1</sup> (з врахуванням встановлених значень секунди і метра)<ref name="NewDefs" /><ref name="Introduction2019">{{стаття|автор=Richard Davis|заглавие=An introduction to the revised international system of units (SI)|видання=IEEE Instrumentation & Measurement Magazine|рік=2019|issue=3|том=22|сторінки=4—8|doi=10.1109/MIM.2019.8716268}}</ref>.

Раніше кілограм визначався як маса міжнародного прототипу кілограма. В результаті змін маси всіх еталонів кілограма, що належать до міжнародного прототипу кілограма, набули додаткової похибки 10 мкг, оскільки маса самого прототипу тепер дорівнює 1&nbsp;кг саме з такою похибкою<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=27 травня 2019|archive-url=https://web.archive.org/web/20190527194632/https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCM/BIPM_Note-on-kilogram-redefinition.pdf}}</ref>.

Хоча міжнародний прототип кілограма більше не служить еталоном кілограма як одиниці SI, він як і раніше зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг та максимально захищений від зовнішніх впливів<ref name="faq">{{cite web|title=FAQs: Frequently Asked Questions about the revision of the SI|url=https://www.bipm.org/en/measurement-units/faqs.html|website=BIPM|accessdate=2019-06-12|archive-date=29 червня 2019|archive-url=https://web.archive.org/web/20190629185959/https://www.bipm.org/en/measurement-units/faqs.html}}</ref>.

=== Ампер ===
Величина ампера встановлюється фіксацією числового значення елементарного електричного заряду {{math|''e''}} в одиницях А⋅с. Крім того, відмінено раніше рекомендовані для реалізації [[вольт]]а і [[ом]]а фіксовані значення [[Ефект Джозефсона|сталої Джозефсона]] {{math|''K''<sub>J-90</sub>}} і [[Стала фон Клітцинга|сталої фон Клітцинга]] {{math|''R''<sub>K-90</sub>}}<ref name="NewDefs" />.

Змінені значення и шкали електричних напруг та опорів змінились на частку порядку 10<sup>−7</sup> і 10<sup>−8</sup>, відповідно, однак це пов'язане не зі зміною визначень основних одиниць, а з тим, що раніше для реалізації одиниць напруги і опору було рекомендовано фіксовані значення сталих Джозефсона і фон Клітцинга, не узгоджені з рештою SI<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=5 жовтня 2018|archive-url=https://web.archive.org/web/20181005021747/https://www.bipm.org/utils/common/pdf/CC/CCEM/ccem_guidelines_revisedSI.pdf}}</ref>.

=== Кельвін ===
Величина кельвіна встановлюється фіксацією числового значення сталої Больцмана {{math|''k''}} в одиницях кг·м<sup>2</sup>·с<sup>−2</sup>·К<sup>−1</sup>. При цьому через визначальні константи кельвін виражається як {{math|ℎ Δ''ν''<sub>Cs</sub>/''k''}} з певним безрозмірнісним множником, тобто його величина в дійсності не пов'язана зі швидкістю світла і величиною метра, не дивлячись на те що в одиницю для {{math|''k''}}, виражену через основні одиниці, входить метр<ref name="NewDefs" /><ref name="Introduction2018" /><ref name="Introduction2019" />.

=== Моль ===
Величина моля встановлюється фіксацією числового значення сталої Авогадро {{math|''N''<sub>A</sub>}}<ref name="NewDefs" />.

=== Кандела ===
Визначення кандели змістовно не змінилось, крім того, що воно пов'язане з іншими одиницями, а їх визначення змінилися<ref name="NewDefs" /><ref name="Introduction2019" />.

== Передумови, підготовка та прийняття ==
Міжнародну систему одиниць (SI), було прийнято у 1960 році і вона доповнювалась та коректувалась [[Міжнародне бюро мір і ваг|Міжнародним бюро мір і ваг]] (BIPM) у подальші роки. Понад 50 років в SI зберігалось визначення кілограма, що було чинним ще з 1889 року: 1 кілограм&nbsp;— це маса міжнародного прототипу кілограма {{math|''M''<sub>IPK</sub>}} (більше того, і в XIX столітті кілограм теж визначався через матеріальний еталон). Це створювало труднощі: і сам прототип, і його копії з часом змінюють масу через забруднення та зношування; однозначно встановити напрямок зміни можна лише для копій відносно прототипу; при цьому для мінімізації змін маси прототипу його порівняння з копіями проводилось надзвичайно рідко, і у проміжках між порівняннями накопичувались похибки через зміну мас копій&nbsp;— а оскільки іншого способу відтворити кілограм не було, усі користувачі стандарту кілограма (національні метрологічні організації) отримували значення кілограма з цими похибками. Пропозиції змінити визначення кілограма через фіксування значення якоїсь природної сталої, як це було зроблено з метром, звучали давно і регулярно, однак лише на початку XXI століття точність експериментів стала достатньою, щоб реалізувати цю ідею{{sfn|Stock et al|2019|pp=1—2}}.

Спільноти фахівців з метрології в різних областях науки і техніки також підтримали ідею змін. Практична реалізація одиниць напруги і опору спиралася не на визначення ампера, а на фіксовані значення сталих [[Ефект Джозефсона|Джозефсона]] і [[Стала фон Клітцинга|фон Клітцинга]]; відмова від цих фіксованих значень з одночасною фіксацією {{math|''e''}} і {{math|ℎ}} зробила б одиниці з розділу електрики і магнетизму узгодженими з рештою SI. Одиниця температури визначалась через фіксацію температури потрійної точки води {{math|''T''<sub>TPW</sub>}}, однак ця температура залежить від ізотопного складу води та домішок у ній, й до того ж таке визначення не зовсім підходить до дуже низьких і дуже високих температур&nbsp;— перевизначення кельвіна через фіксацію {{math|''k''}} вирішувало ці проблеми. Нарешті, оскільки концепція кількості речовини не пов'язана з масою частинок, було запропоновано заодно змінити визначення моля, відв'язавши його від маси атома вуглецю-12{{math|''m''(<sup>12</sup>C)}} і прив'язавши до фіксованого значення {{math|''N''<sub>A</sub>}}{{sfn|Stock et al|2019|pp=2—3}}.

Можна було б позбутися прив'язки системи одиниць до конкретного електронного переходу в конкретному атомі, що фігурує у визначенні секунди, зафіксувавши замість нього ще одну фундаментальну сталу&nbsp;— наприклад, [[Гравітаційна стала|гравітаційну сталу]], як це робиться, наприклад, у [[Планківські одиниці|планківській системі одиниць]]. Однак невизначеність виміряного значення гравітаційної сталої є занадто великою для цього<ref>{{стаття|автор=C. Rothleitner and S. Schlamminger|заглавие=Invited Review Article: Measurements of the Newtonian constant of gravitation, G|видання=Review of Scientific Instruments|рік=2017|том=88|сторінки=111101|doi=10.1063/1.4994619}}</ref>.

Зміни у тому вигляді, у якому вони були ухвалені, беруть початок від пропозиції 2006 року{{sfn|Stock et al|2019|p=2}}. Основні принципи реформи і вимоги до точності вимірювань значень фізичних констант, необхідних для реформи, ухвалювались на [[Генеральна конференція мір і ваг|Генеральних конференціях мір і ваг]] у 2011 і 2014 роках<ref name="Resolution2018" />.

[[Файл:NIST-4 Kibble balance.jpg|thumb|Ватові терези (вага Кіббла) в [[Національний інститут стандартів і технологій|NIST]]]]
В рамках підготовки змін у 2014 році було проведене позачергове порівняння маси міжнародного прототипу кілограма з його копіями. Різноманітні наукові групи по всьому світу провели вимірювання фундаментальних констант, щоб знизити похибку до потрібного рівня. Робоча група з фундаментальних констант [[Комітет з даних для науки і техніки|Комітету з даних для науки і техніки (CODATA)]] зібрала ці дані у позачерговому випуску набору значень констант 2017 року, і на основі цих значень було обрано фіксовані значення для нової SI{{sfn|Stock et al|2019|pp=3—10}}.

Рішення про зміни у SI та конкретні значення фізичних сталих було остаточно ухвалено 16 листопада 2018 року, коли за них одноголосно проголосували учасники XXVI Генеральної конференції з мір і ваг<ref name="Resolution2018">{{cite web|title=Resolution 1 of the 26th CGPM (2018)|url=https://www.bipm.org/en/CGPM/db/26/1/|website=BIPM|accessdate=2019-05-22|archive-date=4 лютого 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210204120336/https://www.bipm.org/en/CGPM/db/26/1/}}</ref>. Нові визначення SI вступили у силу 20 травня 2019 року, у [[Всесвітній День метрології]]<ref>{{cite web |title=The International System of Units - making measurements fundamentally better |url=https://www.bipm.org/en/news/full-stories/2019-05-wmd.html |website=BIPM |accessdate=2019-05-22 |archive-date=24 травня 2019 |archive-url=https://web.archive.org/web/20190524112724/https://www.bipm.org/en/news/full-stories/2019-05-wmd.html }}</ref>.

Для кожної з основних одиниць у новій SI визначені рекомендовані методи для практичної реалізації одиниць. Так, для кілограма це [[ватові терези|ватові терези (вага Кіббла)]] і рентгенівський аналіз щільності кристала (X-ray crystal density, 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=9 квітня 2020 |archive-url=https://web.archive.org/web/20200409115245/http://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/ }}</ref>.

Оновлена SI допускає подальші зміни. Зокрема, прогрес в галузі вимірювання частот електромагнітних хвиль і конструювання [[Атомний годинник|атомного годинника]] дозволяє сподіватись, що приблизно через десятиліття секунду буде перевизначено через частоту якогось іншого електронного переходу<ref>{{стаття|автор=Fritz Riehle, Patrick Gill, Felicitas Arias and Lennart Robertsson|заголовок=The CIPM list of recommended frequency standard values: guidelines and procedures|видання=Metrologia|рік=2018|том=55|сторінки=188|doi=10.1088/1681-7575/aaa302}}</ref>.

== Критика ==
Оскільки [[атомна одиниця маси]] як і раніше визначається через масу атома вуглецю-12, вона перестала дорівнювати точно 1 граму, поділеному на число Авогадро. Деякі автори критикують нову SI, вказуючи, що фіксація атомної одиниці маси замість сталої Планка вирішила б цю проблему, а аргументи, що привели до вибору сталої Планка у 2000-х роках, до 2010-х років втратили силу<ref>{{стаття|автор=Бронников К. А., Иващук В. Д., Калинин М. И., Мельников В. Н., Хрущёв В. В.|заголовок=О выборе фиксируемых фундаментальных констант для новых определений единиц СИ|ивидання=Измерительная техника|рік=2016|номер=8|посилання=https://elibrary.ru/item.asp?id=26690493|сторінки=11—15}}</ref>.

[[Електрична стала]] і [[магнітна стала]] в SI до змін мали точні значення: <math>\varepsilon_0=\frac{1}{4\pi c^2}\cdot10^7</math> м/[[Генрі (одиниця)|Гн]] і <math>\mu_0=4\pi \cdot10^{-7}</math> Гн/м. Після реформи ці рівності стали виконуватись не абсолютно точно, а до дев'яти значущих цифр, отримавши ту ж відносну похибку, що і [[стала тонкої структури]] <math>\alpha=\frac{e^2}{2\varepsilon_0 h c}</math>. З цього, зокрема, випливає, що коефіцієнти для переведення між одиницями SI й різними варіантами системи [[СГС]] перестали бути точними, фіксованими величинами, оскільки вони виражаються через магнітну сталу. Цього можна було б уникнути, якщо було б зафіксовано не елементарний заряд <math>e</math>, а попереднє значення магнітної сталої або, що рівносильне при фіксованих <math>h</math> і <math>c</math>, [[планківський заряд]] <math>e/\sqrt{\alpha}</math>. Однак цей варіант було відкинуто, оскільки попередня реалізація еталонів одиниць фізичних величин, пов'язаних з електрикою і магнетизмом, ґрунтувалась на фіксованих сталих Джозефсона і фон Клітцинга, що рівнозначне фіксації сталої Планка і елементарного заряду, тому перехід до нової системи ставав легшим ніж за фіксації саме елементарного заряду<ref>{{стаття|автор=Ronald B. Goldfarb|заголовок=The Permeability of Vacuum and the Revised International System of Units|видання=IEEE Magnetics Letters|том=8|doi=10.1109/LMAG.2017.2777782}}</ref>.

== Примітки ==
{{reflist|2}}

== Джерела ==
* {{книга|заголовок=Le Système international d’unités (SI) / The International System of Units (SI) |посилання= https://www.bipm.org/utils/common/pdf/si-brochure/SI-Brochure-9.pdf |видавництво=BIPM |рік=2019 |isbn=978-92-822-2272-0 |видання=9-е вид. |інфо={{lgs|fr|en}} |ref=Брошура SI}}
* {{стаття|автор=Michael Stock, Richard Davis, Estefanía de Mirandés and Martin J T Milton|заголовок=The revision of the SI—the result of three decades of progress in metrology|видання=Metrologia|рік=2019|ref=Stock et al |volume=56 |номер=022001 |doi=10.1088/1681-7575/ab0013}}

{{Бібліоінформація}}
{{Одиниці SI}}

[[Категорія:Міжнародна система одиниць]]
[[Категорія:2018 у науці]]
[[Категорія:2019 у науці]]