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國際單位制基本單位的重新定義

第26屆國際度量衡大會通過的國際基本單位的修訂定義
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。

國際基本單位2019年新定義是指,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]

國際單位制希望其單位定義基準是源自於對自然的測量。但此單位制於1799年在法國被引入英语History of the metric system時,由當時之技術限制,因此利用了公尺原器公斤原器來定義公尺公斤

1960年,公尺的定義被改寫為由特定光源所發出的光波長(后又改为根据真空光速定义),因此公尺定義的基準也成為了對自然測量的結果。2018年,只留下了公斤仍是以人造的實物來定義。2019年新定義包括,停止使用「鉑銥公斤原器」定義一公斤,改為用電磁力測量普朗克常數時衍生之數值[6]

重新定义编辑

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,并经國際度量衡局提案,除了光速以外,下列所示的四個自然常數也應被定義為確定的數值:

這些常數在2006年版的SI指南就已經出現,但在此版本中後三個常數被定義為“由實驗所得的常數”,而不是直接的“定義常數”。

國際度量衡局也提案,以下這些自然常數的數值應繼續保持不變。

  • 光速 c = 299792458 米每秒 (m·s-1)
  • 銫133原子基態超精細能階分裂頻率 ΔνCs = 9192631770 赫兹 (Hz)
  • 頻率為 540×1012 Hz 輻射的發光效率 Kcd = 683 流明瓦特 (lm·W-1)

根据更新的第9版SI手册(2018年),通过将所有導出單位改写为基本单位,以上七個定義在以下改寫為以基本單位表示的形式。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

此外國際度量衡局也要求:

  • 目前公斤的定義應廢除,并且國際公斤原器应退休,參見基布爾秤
  • 目前安培的定義應廢除
  • 目前克耳文的定義應廢除
  • 目前摩尔的定義應修改

這些改變會影響到基本單位的定義,但對於導出單位的表達形式則不會有所影響。

对基本单位定义的影响编辑

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,一个单位是由實物例子定义。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年新定義中,燭光的定義實質上沒有改變,只是文字上表達更為嚴格;公斤安培克耳文莫耳則有根本上的重大改變。

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 中國大陸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

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秒的新定義實質上與現有的相同,但表達更為嚴格。

過去定義:
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原子基態的兩個超精細能階躍遷對應輻射的9,192,631,770個週期的持續時間。
2019年定義:
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]

公尺编辑

公尺的新定義實質上與現有的相同,但表達更為嚴格。

過去定義:
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:光在真空中於1/299792458秒內行進的距離。
2019年定義:
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]

公斤编辑

公斤的新定義有根本上的重大改變,它不再依賴人造物(國際千克原器),改以普朗克常数聯繫電磁波頻率等效質量

過去定義:
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年定義:
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]

安培编辑

安培的新定義有根本上的重大改變。舊定義中,安培與兩條無限長且截面積可忽略的導體有關,這樣的條件在現實中並不存在。因此,改用了基本电荷 e 重新定義安培,這樣的條件可以在實驗室中重現,同時較簡單易明。在新定義中,安培只是跟「秒」有關,與「米」和「公斤」無關。

過去定義:
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年定義:
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]

克耳文编辑

克耳文的新定義有根本上的重大改變。舊定義中,熱力學溫度單位與水的三相點有關,新定義以玻尔兹曼常数聯繫温度和能量。

過去定義:
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年定義:
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]

莫耳编辑

莫耳的新定義有根本上的重大改變。原有定義中,莫耳與另一基本單位「公斤」有關。新定義中,利用物理常數阿伏伽德罗数直接定義了莫耳。

過去定義:
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摩爾是指系統所含的基本微粒個數等於12克的碳-12。當使用摩爾時,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年定義:
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]

燭光编辑

燭光的新定義實質上與現有的相同,但表達更為嚴格。

過去定義:
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年定義:
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]

對現有定義的影響编辑

基本物理常數的不確定性编辑

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

注释编辑

  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.

外部連結编辑

參考資料编辑

  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. ^ 和百年公斤原器說再見!七大國際單位制將改頭換面. 泛科學. 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 互联网档案馆存檔,存档日期27 January 2018. Retrieved 7 April 2018
  13. ^ Redefining the Mole. NIST. NIST. 23 October 2018 [24 October 2018].