Revisión del SI de 2019
Definición de las unidades kg, A, K y mol

El sistema SI después de la definición de 2019: Unidades básicas definidas en términos de constantes físicas y otras unidades básicas. Aquí, se utiliza el término media en la definición de . a → b {\displaystyle a\flecha derecha b} a {\estilo de visualización a} b {\estilo de visualización b}
El sistema SI después de 1983, pero antes de la redefinición de 2019: Definiciones de unidades base en términos de otras unidades base (por ejemplo, el metro se define como la distancia recorrida por la luz en una fracción específica de segundo ), con las constantes de la naturaleza y los artefactos utilizados para definirlas (como la masa del IPK para el kilogramo y el punto triple del agua para el kelvin).

En 2019, cuatro de las siete unidades base del SI especificadas en el Sistema Internacional de Cantidades se redefinieron en términos de constantes físicas naturales, en lugar de artefactos humanos como el kilogramo estándar . [1] [2] A partir del 20 de mayo de 2019, el 144.º aniversario de la Convención del Metro , el kilogramo , el amperio , el kelvin y el mol ahora se definen estableciendo valores numéricos exactos, cuando se expresan en unidades del SI, para la constante de Planck ( h ), la carga eléctrica elemental ( e ), la constante de Boltzmann ( k B ) y la constante de Avogadro ( N A ), respectivamente. El segundo , el metro y la candela se habían redefinido previamente utilizando constantes físicas . Las cuatro nuevas definiciones tenían como objetivo mejorar el SI sin cambiar el valor de ninguna unidad, lo que garantiza la continuidad con las mediciones existentes. [3] [4] En noviembre de 2018, la 26ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) aprobó por unanimidad estos cambios, [5] [6] que el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) había propuesto a principios de ese año después de determinar que se habían cumplido las condiciones previamente acordadas para el cambio. [7] : 23  Estas condiciones se cumplieron mediante una serie de experimentos que midieron las constantes con alta precisión en relación con las antiguas definiciones del SI, y fueron la culminación de décadas de investigación.

El cambio importante anterior del sistema métrico ocurrió en 1960 cuando se publicó formalmente el Sistema Internacional de Unidades (SI). En ese momento se redefinió el metro: la definición se cambió del prototipo del metro a un cierto número de longitudes de onda de una línea espectral de una radiación de kriptón-86 , lo que lo hizo derivable de fenómenos naturales universales. [Nota 1] El kilogramo permaneció definido por un prototipo físico, dejándolo como el único artefacto del que dependen las definiciones de unidades del SI. En ese momento, el SI, como sistema coherente , se construyó alrededor de siete unidades base , cuyas potencias se usaron para construir todas las demás unidades. Con la redefinición de 2019, el SI se construye alrededor de siete constantes definitorias , lo que permite que todas las unidades se construyan directamente a partir de estas constantes. La designación de unidades base se conserva, pero ya no es esencial para definir las unidades del SI. [4]

El sistema métrico fue concebido originalmente como un sistema de medición que se podía derivar de fenómenos inmutables, [8] pero las limitaciones prácticas hicieron necesario el uso de artefactos (el prototipo del metro y el prototipo del kilogramo ) cuando se introdujo el sistema métrico en Francia en 1799. Aunque fueron diseñados para una estabilidad a largo plazo, el prototipo del kilogramo y sus copias secundarias han mostrado pequeñas variaciones de masa entre sí a lo largo del tiempo; no se cree que sean adecuados para la creciente precisión que exige la ciencia, lo que impulsó la búsqueda de un reemplazo adecuado. Las definiciones de algunas unidades se definieron mediante mediciones que son difíciles de realizar con precisión en un laboratorio, como el kelvin , que se definió en términos del punto triple del agua . Con la redefinición de 2019, el SI se volvió totalmente derivable de fenómenos naturales y la mayoría de las unidades se basan en constantes físicas fundamentales .

Varios autores han publicado críticas a las definiciones revisadas; sus críticas incluyen la premisa de que la propuesta no abordó el impacto de romper el vínculo entre la definición del dalton [Nota 2] y las definiciones del kilogramo, el mol y la constante de Avogadro .

Fondo

La estructura básica del SI se desarrolló durante aproximadamente 170 años entre 1791 y 1960. Desde 1960, los avances tecnológicos han permitido abordar debilidades del SI, como la dependencia de un artefacto físico para definir el kilogramo.

Desarrollo de SI

Durante los primeros años de la Revolución Francesa , los líderes de la Asamblea Nacional Constituyente francesa decidieron introducir un nuevo sistema de medición basado en los principios de la lógica y los fenómenos naturales. El metro se definió como una diezmillonésima parte de la distancia del polo norte al ecuador y el kilogramo como la masa de una milésima parte de un metro cúbico de agua pura. Aunque se eligieron estas definiciones para evitar la propiedad de las unidades, no se podían medir con la suficiente comodidad o precisión para que fueran de uso práctico. En su lugar, se crearon realizaciones en forma de mètre des Archives y kilogramme des Archives , que fueron un "mejor intento" de cumplir con estos principios. [9]

En 1875, el uso del sistema métrico se había generalizado en Europa y América Latina ; ese año, veinte naciones industrialmente desarrolladas se reunieron para la Convención del Metro , que condujo a la firma del Tratado del Metro , en virtud del cual se crearon tres organismos para custodiar los prototipos internacionales del kilogramo y el metro, y para regular las comparaciones con los prototipos nacionales. [10] [11] Eran:

  • CGPM (Conferencia General de Pesas y Medidas ) – La Conferencia se reúne cada cuatro a seis años y está formada por delegados de los países signatarios de la Convención. Discute y examina las disposiciones necesarias para asegurar la propagación y el mejoramiento del Sistema Internacional de Unidades y aprueba los resultados de las nuevas determinaciones metrológicas fundamentales.
  • CIPM (Comité Internacional de Pesas y Medidas, Comité internacional de pesos y medidas ): el Comité está formado por dieciocho científicos eminentes, cada uno de ellos de un país diferente, designados por la CGPM. El CIPM se reúne anualmente y tiene la tarea de asesorar a la CGPM. El CIPM ha creado una serie de subcomités, cada uno de ellos encargado de un área de interés particular. Uno de ellos, el Comité Consultivo de Unidades (CCU), asesora al CIPM sobre cuestiones relacionadas con las unidades de medida. [12]
  • BIPM (Oficina Internacional de Pesas y Medidas, Bureau international des poids et mesures ): la Oficina se encarga de custodiar los prototipos internacionales del kilogramo y del metro, proporciona instalaciones de laboratorio para comparaciones regulares de los prototipos nacionales con el prototipo internacional y es la secretaría del CIPM y de la CGPM.

La 1.ª CGPM (1889) aprobó formalmente el uso de 40 prototipos de metros y 40 prototipos de kilogramos fabricados por la firma británica Johnson Matthey como patrones exigidos por la Convención del Metro. [13] Los prototipos Metro Nº 6 y Kilogramo KIII fueron designados como prototipos internacionales del metro y del kilogramo, respectivamente; la CGPM conservó otras copias como copias de trabajo y el resto se distribuyó a los estados miembros para que las utilizaran como prototipos nacionales. Aproximadamente una vez cada 40 años, los prototipos nacionales se comparaban y recalibraban con el prototipo internacional. [14]

En 1921 se revisó la Convención del Metro y se amplió el mandato de la CGPM para proporcionar normas para todas las unidades de medida, no sólo masa y longitud. En los años siguientes, la CGPM asumió la responsabilidad de proporcionar normas de corriente eléctrica (1946), luminosidad (1946), temperatura (1948), tiempo (1956) y masa molar (1971). [15] La 9.ª CGPM de 1948 encargó al CIPM "que formulara recomendaciones para un sistema práctico único de unidades de medida, adecuado para su adopción por todos los países que se adhirieran a la Convención del Metro". [16] Las recomendaciones basadas en este mandato se presentaron a la 11.ª CGPM (1960), donde se aceptaron formalmente y se les dio el nombre de " Système International d'Unités " y su abreviatura "SI". [17]

Impulso al cambio

Existe un precedente para cambiar los principios subyacentes detrás de la definición de las unidades básicas del SI: la 11.ª CGPM (1960) definió el metro del SI en términos de la longitud de onda de la radiación de criptón-86 , reemplazando la barra del metro anterior al SI, y la 13.ª CGPM (1967) reemplazó la definición original del segundo , que se basaba en la rotación media de la Tierra de 1750 a 1892, [18] con una definición basada en la frecuencia de la radiación emitida o absorbida con una transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133 . La 17.ª CGPM (1983) reemplazó la definición de 1960 del metro con una basada en el segundo al dar una definición exacta de la velocidad de la luz en unidades de metros por segundo . [19]

Deriva de masa a lo largo del tiempo de los prototipos nacionales K21–K40 , más dos de las copias hermanas del prototipo internacional : K32 y K8(41). [Nota 3] Todos los cambios de masa son relativos al IPK. [20]

Desde su fabricación se han producido derivas de hastaSe han detectado 2 × 10 −8 kilogramos (20 μg) por año en los kilogramos prototipo nacionales en relación con el prototipo internacional del kilogramo (IPK). No había forma de determinar si los prototipos nacionales estaban ganando masa o si el IPK estaba perdiendo masa. [21] El metrólogo de la Universidad de Newcastle Peter Cumpson ha identificado posteriormente la absorción de vapor de mercurio o la contaminación carbonosa como posibles causas de esta deriva. [22] [23] En la 21ª reunión de la CGPM (1999), se instó a los laboratorios nacionales a investigar formas de romper el vínculo entre el kilogramo y un artefacto específico.

Los metrólogos han investigado varios enfoques alternativos para redefinir el kilogramo basándose en constantes físicas fundamentales. Entre otros, el proyecto Avogadro y el desarrollo de la balanza Kibble (conocida como la "balanza Watt" antes de 2016) prometieron métodos de medición indirecta de la masa con una precisión muy alta. Estos proyectos proporcionaron herramientas que permiten medios alternativos para redefinir el kilogramo. [24]

Un informe publicado en 2007 por el Comité Consultivo de Termometría (CCT) para el CIPM señaló que su definición actual de temperatura ha demostrado ser insatisfactoria para temperaturas inferiores20 K y para temperaturas superiores1300 K. El comité consideró que la constante de Boltzmann proporcionaba una mejor base para la medición de la temperatura que el punto triple del agua porque superaba estas dificultades. [25]

En su 23.ª reunión (2007), la CGPM encomendó al CIPM que investigara el uso de constantes naturales como base para todas las unidades de medida en lugar de los artefactos que se utilizaban en ese momento. Al año siguiente, la Unión Internacional de Física Pura y Aplicada (IUPAP) respaldó esta iniciativa. [26] En una reunión de la CCU celebrada en Reading (Reino Unido ) en septiembre de 2010, se acordó en principio una resolución [27] y un borrador de cambios al folleto del SI que se presentarían en la siguiente reunión del CIPM en octubre de 2010. [28] La reunión del CIPM de octubre de 2010 concluyó que "las condiciones establecidas por la Conferencia General en su 23.ª reunión aún no se han cumplido plenamente. [Nota 4] Por esta razón, el CIPM no propone una revisión del SI en este momento". [30] Sin embargo, el CIPM presentó una resolución para su consideración en la 24ª CGPM (17-21 de octubre de 2011) para acordar las nuevas definiciones en principio, pero no para implementarlas hasta que se hubieran ultimado los detalles. [31] Esta resolución fue aceptada por la conferencia, [32] y además la CGPM adelantó la fecha de la 25ª reunión de 2015 a 2014. [33] [34] En la 25ª reunión del 18 al 20 de noviembre de 2014, se encontró que "a pesar de [el progreso en los requisitos necesarios] los datos aún no parecen ser suficientemente robustos para que la CGPM adopte el SI revisado en su 25ª reunión", [35] posponiendo así la revisión a la siguiente reunión en 2018. Las mediciones suficientemente precisas para cumplir las condiciones estaban disponibles en 2017 y la redefinición [36] fue adoptada en la 26ª CGPM (13-16 de noviembre de 2018).

Definición de constantes

Tras la exitosa redefinición del metro en 1983 en términos de un valor numérico exacto para la velocidad de la luz, el Comité Consultivo de Unidades (CCU) del BIPM recomendó y el BIPM propuso que se definieran otras cuatro constantes de la naturaleza con valores exactos, que son: [Nota 5]

La redefinición conserva sin cambios los valores numéricos asociados a las siguientes constantes de la naturaleza:

  • La velocidad de la luz c es exactamente299 792 458  metros por segundo (m⋅s −1 ) ;
  • La frecuencia de transición de la estructura hiperfina del estado fundamental del átomo de cesio-133 Δ ν Cs es exactamente9 192 631 770  hercios (Hz) ;
  • La eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia5,40 × 10 14  Hz (540 THz ) – una frecuencia de luz de color verde aproximadamente a la sensibilidad máxima del ojo humano – K cd (donde el subíndice "cd" es el símbolo de candela) es exactamente683 lúmenes por vatio (lm⋅W −1 ) .

Las siete constantes definitorias del SI anteriores, expresadas en términos de unidades derivadas ( julio , culombio , hercio , lumen y vatio ), se reescriben a continuación en términos de las siete unidades base (segundo, metro, kilogramo, amperio, kelvin, mol y candela); [4] también se utiliza la unidad adimensional estereorradián (símbolo sr):

  • h =6.626 070 15 × 10 −34  kg⋅m 2 ⋅s −1
  • mi =1.602 176 634 × 10 −19  A⋅s
  • k =1.380 649 × 10 −23  kg⋅m 2 ⋅K −1 ⋅s −2
  • N A =6,022 140 76 × 10 23  mol −1
  • c =299 792 458  m⋅s −1
  • Δ ν Cs = Δ ν ( 133 Cs) hfs =9 192 631 770  s -1
  • Kcd =​683 cd⋅sr⋅s 3 ⋅kg −1 ⋅m −2

Como parte de la redefinición, se retiró el Prototipo Internacional del Kilogramo y se reemplazaron las definiciones del kilogramo, el amperio y el kelvin. Se revisó la definición del mol . Estos cambios tienen el efecto de redefinir las unidades básicas del SI, aunque las definiciones de las unidades derivadas del SI en términos de las unidades básicas siguen siendo las mismas.

Impacto en las definiciones de unidades base

Siguiendo la propuesta de la CCU, los textos de las definiciones de todas las unidades base fueron refinados o reescritos, cambiando el énfasis de las definiciones de tipo unidad explícita a las de tipo constante explícita. [38] Las definiciones de tipo unidad explícita definen una unidad en términos de un ejemplo específico de esa unidad; por ejemplo, en 1324 Eduardo II definió la pulgada como la longitud de tres granos de cebada , [39] y desde 1889 hasta 2019 el kilogramo se definió como la masa del Prototipo Internacional del Kilogramo. En las definiciones de constante explícita, a una constante de la naturaleza se le da un valor específico, y la definición de la unidad surge como consecuencia; por ejemplo, en 2019, la velocidad de la luz se definió como exactamente299 792 458 metros por segundo. La longitud del metro se pudo deducir porque el segundo ya se había definido de forma independiente. Las definiciones anteriores [19] y 2019 [4] [37] se dan a continuación.

Segundo

La nueva definición del segundo es efectivamente la misma que la anterior, con la única diferencia que las condiciones bajo las cuales se aplica la definición están definidas de manera más rigurosa.

  • Definición anterior : El segundo es la duración de9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio-133.
  • Definición de 2019 : El segundo, símbolo s, es la unidad de tiempo del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la frecuencia del cesio, Δ ν Cs , la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental no perturbado del átomo de cesio-133, [Nota 6] como9 192 631 770 cuando se expresa en la unidad Hz , que es igual a s −1 .

El segundo puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias:

1 s = ⁠9 192 631 770/ΔνCs​​⁠ .

Metro

La nueva definición del metro es efectivamente la misma que la anterior, con la única diferencia que el rigor adicional en la definición del segundo se propagó al metro.

  • Definición anterior : El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de ⁠1/299 792 458de un segundo.
  • Definición de 2019 : El metro, de símbolo m, es la unidad de longitud del SI. Se define tomando como valor numérico fijo de la velocidad de la luz en el vacío c299 792 458 cuando se expresa en la unidad m⋅s −1 , donde el segundo se define en términos de la frecuencia de cesio Δ ν Cs .

El metro puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias:

1 m = ⁠9 192 631 770/299 792 458⁠ ⁠do/ΔνCs​​⁠ .

Kilogramo

Una balanza Kibble , que se utilizó para medir la constante de Planck en términos del prototipo internacional del kilogramo. [40]

La definición del kilogramo cambió fundamentalmente de un artefacto (el Prototipo Internacional del Kilogramo ) a una constante de la naturaleza. [41] Debido a que la constante de Planck relaciona la energía del fotón con la frecuencia del fotón, la nueva definición relaciona el kilogramo con el equivalente en masa de la energía de un fotón a una frecuencia específica.

  • Definición anterior : El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.
  • Definición de 2019 : El kilogramo, símbolo kg, es la unidad de masa del SI. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Planck h como6.626 070 15 × 10 −34 cuando se expresa en la unidad J ⋅s, que es igual a kg⋅m 2 ⋅s −1 , donde el metro y el segundo se definen en términos de c y Δ ν Cs .

A modo de ilustración, una redefinición propuesta anteriormente que es equivalente a esta definición de 2019 es: "El kilogramo es la masa de un cuerpo en reposo cuya energía equivalente es igual a la energía de una colección de fotones cuyas frecuencias suman [1.356 392 489 652 × 10 50 ] hercios." [42]

El kilogramo puede expresarse directamente en términos de las constantes que lo definen:

1 kilo = ⁠(299 792 458 ) 2/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )⁠ ⁠h Δ ν Cs/c2​⁠ .

Conduciendo a

1  J⋅s = ⁠yo/6.626 070 15 × 10 −34⁠
1  J = ⁠h Δ ν Cs/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )⁠
1  W = ⁠h ( ΔνCs ) 2​/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 ) 2⁠
1N  = ⁠​299 792 458/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 ) 2⁠ ⁠h ( ΔνCs ) 2​/do⁠

Amperio

La definición del amperio sufrió una importante revisión. La definición anterior se basaba en longitudes infinitas que son imposibles de realizar: [43]

  • Definición anterior : El amperio es aquella corriente constante que, mantenida en dos conductores rectilíneos paralelos de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados a 1 m de distancia en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a2 × 10 −7 newton por metro de longitud.

La alternativa evitó ese problema:

  • Definición de 2019 : El amperio, símbolo A, es la unidad SI de corriente eléctrica. Se define tomando como valor numérico fijo de la carga elemental e1.602 176 634 × 10 −19 cuando se expresa en la unidad C , que es igual a A⋅s, donde el segundo se define en términos de Δ ν Cs .

El amperio puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias como:

1 A = ⁠y Δ ν Cs/(1.602 176 634 × 10 −19 )(9 192 631 770 )⁠

A modo de ilustración, esto equivale a definir un culombio como un múltiplo exacto especificado de la carga elemental.

1 C = ⁠mi/1.602 176 634 × 10 −19⁠

Como la definición anterior contiene una referencia a la fuerza , que tiene las dimensiones MLT −2 , se deduce que en el SI anterior el kilogramo, el metro y el segundo (las unidades básicas que representan estas dimensiones) tuvieron que definirse antes de que se pudiera definir el amperio. Otras consecuencias de la definición anterior fueron que en el SI el valor de la permeabilidad al vacío ( μ 0 ) se fijó exactamente en4 π × 10 −7 H ⋅m -1 . [44]

Una consecuencia de la definición revisada es que el amperio ya no depende de las definiciones del kilogramo y el metro; sin embargo, todavía depende de la definición del segundo. Además, los valores numéricos cuando se expresan en unidades del SI de la permeabilidad al vacío, la permitividad al vacío y la impedancia del espacio libre, que eran exactos antes de la redefinición, están sujetos a error experimental después de la redefinición. [45] Por ejemplo, el valor numérico de la permeabilidad al vacío tiene una incertidumbre relativa igual a la del valor experimental de la constante de estructura fina . [46] El valor CODATA 2018 para la incertidumbre estándar relativa de es alfa {\estilo de visualización \alpha} alfa {\estilo de visualización \alpha} 1,6 × 10 −10 . [47] [Nota 7]

La definición de amperio conduce a valores exactos para

1  V = ⁠1.602 176 634 × 10 −19/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )⁠ ⁠h Δ ν Cs/mi⁠
1  Wb = ⁠1.602 176 634 × 10 −19/6.626 070 15 × 10 −34⁠ ⁠yo/mi⁠
1Ω  = ⁠​(1.602 176 634 × 10 −19 ) 2/6.626 070 15 × 10 −34⁠ ⁠yo/y 2⁠

Kelvin

La definición del kelvin sufrió un cambio fundamental. En lugar de utilizar el punto triple del agua para fijar la escala de temperatura, la nueva definición utiliza el equivalente energético dado por la ecuación de Boltzmann .

  • Definición anterior : El kelvin, unidad de temperatura termodinámica , es ⁠1/273,16⁠ de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
  • Definición de 2019 : El kelvin, símbolo K, es la unidad SI de temperatura termodinámica. Se define tomando el valor numérico fijo de la constante de Boltzmann k como1.380 649 × 10 −23 cuando se expresa en la unidad J⋅K −1 , que es igual a kg⋅m 2 ⋅s −2 ⋅K −1 , donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de h , c y Δ ν Cs .

El kelvin puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias como:

1K = ⁠1.380 649 × 10 −23/(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 )⁠ ⁠h Δ ν Cs/a⁠ .

Lunar

Una esfera casi perfecta de silicio ultrapuro, parte del ahora desaparecido proyecto Avogadro , un proyecto de coordinación internacional de Avogadro para determinar la constante de Avogadro [40]

La definición anterior del mol lo vinculaba al kilogramo. La definición revisada rompe ese vínculo al convertir al mol en un número específico de entidades de la sustancia en cuestión.

  • Definición anterior : El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono-12 . Cuando se utiliza el mol, las entidades elementales deben especificarse y pueden ser átomos, moléculas , iones , electrones , otras partículas o grupos específicos de dichas partículas.
  • Definición de 2019 : [7] : 22  El mol, cuyo símbolo es mol, es la unidad SI de cantidad de sustancia. Un mol contiene exactamente6.022 140 76 × 10 23 entidades elementales. Este número es el valor numérico fijo de la constante de Avogadro , N A , cuando se expresa en la unidad mol −1 y se llama número de Avogadro. [7] [48] La cantidad de sustancia, símbolo n , de un sistema es una medida del número de entidades elementales especificadas. Una entidad elemental puede ser un átomo, una molécula, un ion, un electrón, cualquier otra partícula o grupo específico de partículas.

El mol puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias como:

1 mol = ⁠6.022 140 76 × 10 23/N / A⁠ .

Una consecuencia de este cambio es que la relación definida anteriormente entre la masa del átomo de 12 C, el dalton , el kilogramo y la constante de Avogadro ya no es exacta. Se tuvo que cambiar uno de los siguientes puntos:

  • La masa de un átomo de 12 C, libre y en sus estados fundamentales electrónico y nuclear, es exactamente 12 dalton.
  • El número de dalton en un gramo es exactamente el valor numérico de la constante de Avogadro: (es decir, 1 g/Da = 1 mol ⋅ N A ).

La redacción del 9.º Folleto del SI [4] [Nota 8] implica que la primera afirmación sigue siendo válida, lo que significa que la segunda ya no es exactamente cierta. La constante de masa molar , aunque sigue siendo muy precisa,1 g/mol ya no es exactamente igual a eso. El Apéndice 2 del 9.º Folleto del SI establece que "la masa molar del carbono 12, M ( 12 C), es igual a0,012 kg⋅mol −1 dentro de una incertidumbre estándar relativa igual a la del valor recomendado de N A h en el momento en que se adoptó esta Resolución, es decir4,5 × 10 −10 , y que en el futuro su valor se determinará experimentalmente", [49] [50] lo que no hace referencia al dalton y es consistente con ambas afirmaciones.

Candela

La nueva definición de la candela es efectivamente la misma que la definición anterior, en cuanto que depende de otras unidades base, con el resultado de que la redefinición del kilogramo y el rigor adicional en las definiciones del segundo y del metro se propagan a la candela.

  • Definición anterior : La candela es la intensidad luminosa , en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia540 × 10 12  Hz y que tiene una intensidad radiante en esa dirección de ⁠1/683vatio por estereorradián .
  • Definición 2019 : La candela, de símbolo cd, es la unidad del SI de intensidad luminosa en una dirección dada. Se define tomando el valor numérico fijo de la eficacia luminosa de la radiación monocromática de frecuencia540 × 10 12  Hz , K cd , es decir 683 cuando se expresa en la unidad lm ⋅W −1 , que es igual a cd⋅sr⋅W −1 , o cd⋅sr⋅kg −1 ⋅m −2 ⋅s 3 , donde el kilogramo, el metro y el segundo se definen en términos de h , c y Δ ν Cs .

La candela puede expresarse directamente en términos de las constantes definitorias como:

1 cd =  ⁠K cd h (Δ ν Cs ) 2/683⋅(6.626 070 15 × 10 −34 )(9 192 631 770 ) 2⁠

Impacto en la reproducibilidad

Las siete unidades básicas del SI se definen en términos de constantes definidas [Nota 9] y constantes físicas universales. [Nota 10] [51] Se necesitan siete constantes para definir las siete unidades básicas, pero no existe una correspondencia directa entre cada unidad básica específica y una constante específica; excepto el segundo y el mol, más de una de las siete constantes contribuye a la definición de cualquier unidad básica dada.

Cuando se diseñó por primera vez el Nuevo SI, había más de seis constantes físicas adecuadas entre las que los diseñadores podían elegir. Por ejemplo, una vez que se habían establecido la longitud y el tiempo, la constante gravitacional universal G podía, desde un punto de vista dimensional, utilizarse para definir la masa. [Nota 11] En la práctica, G solo puede medirse con una incertidumbre relativa del orden de 10 −5 , [Nota 12] lo que habría dado como resultado que el límite superior de la reproducibilidad del kilogramo estuviera alrededor de 10 −5 , mientras que el prototipo internacional del kilogramo vigente en ese momento puede medirse con una reproducibilidad de 1,2 × 10 −8 . [45] Las constantes físicas se eligieron sobre la base de la incertidumbre mínima asociada con la medición de la constante y el grado de independencia de la constante con respecto a otras constantes que se estaban utilizando. Aunque el BIPM ha desarrollado una mise en pratique (técnica práctica) estándar [52] para cada tipo de medición, la mise en pratique utilizada para realizar la medición no es parte de la definición de la medición; es simplemente una garantía de que la medición puede realizarse sin exceder la incertidumbre máxima especificada.

Aceptación

Gran parte del trabajo realizado por el CIPM se delega en comités consultivos. El Comité Consultivo de Unidades (CCU) del CIPM ha realizado los cambios propuestos, mientras que otros comités han examinado la propuesta en detalle y han hecho recomendaciones sobre su aceptación por la CGPM en 2014. Los comités consultivos han establecido una serie de criterios que deben cumplirse antes de apoyar la propuesta del CCU, entre ellos:

  • Para la redefinición del kilogramo, se realizaron al menos tres experimentos separados que arrojaron valores para la constante de Planck que tuvieran una incertidumbre relativa expandida (95%) de no más deSe debe realizar 5 × 10 −8 y al menos uno de estos valores debe ser mejor que2 × 10 −8 . Tanto la balanza de Kibble como el proyecto de Avogadro deben incluirse en los experimentos y cualquier diferencia entre ellos debe conciliarse. [53] [54]
  • Para la redefinición del kelvin, la incertidumbre relativa de la constante de Boltzmann derivada de dos métodos fundamentalmente diferentes como la termometría acústica de gas y la termometría de gas de constante dieléctrica debe ser mejor que 10 −6 , y estos valores deben ser corroborados por otras mediciones. [55]

En marzo de 2011, el grupo de Coordinación Internacional de Avogadro (IAC) había obtenido una incertidumbre de3,0 × 10 −8 y el NIST había obtenido una incertidumbre de3,6 × 10 −8 en sus mediciones. [24] El 1 de septiembre de 2012, la Asociación Europea de Institutos Nacionales de Metrología (EURAMET) lanzó un proyecto formal para reducir la diferencia relativa entre la balanza de Kibble y el método de esfera de silicio para medir el kilogramo a partir de(17 ± 5) × 10 −8 hasta dentro de2 × 10 −8 . [56] A marzo de 2013, [actualizar]la redefinición propuesta se conoce como el "Nuevo SI" [3] pero Mohr, en un artículo posterior a la propuesta de CGPM pero anterior a la propuesta formal de CCU, sugirió que debido a que el sistema propuesto hace uso de fenómenos a escala atómica en lugar de fenómenos macroscópicos , debería llamarse "Sistema SI Cuántico". [57]

A partir de los valores recomendados por CODATA de las constantes físicas fundamentales de 2014 publicados en 2016 utilizando datos recopilados hasta fines de 2014, todas las mediciones cumplieron con los requisitos de la CGPM, y ahora se pudo proceder a la redefinición y a la próxima reunión cuatrienal de la CGPM a fines de 2018. [58] [59]

El 20 de octubre de 2017, la 106.ª reunión del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) aceptó formalmente un Proyecto de Resolución A revisado, que solicitaba la redefinición del SI, para ser sometido a votación en la 26.ª CGPM, [7] : 17–23  El mismo día, en respuesta a la aprobación de los valores finales por parte del CIPM, [7] : 22  el Grupo de Trabajo CODATA sobre Constantes Fundamentales publicó sus valores recomendados para 2017 para las cuatro constantes con incertidumbres y los valores numéricos propuestos para la redefinición sin incertidumbre. [37] La ​​votación, que se celebró el 16 de noviembre de 2018 en la 26.ª CGPM, fue unánime; todos los representantes nacionales presentes votaron a favor de la propuesta revisada.

Las nuevas definiciones entraron en vigor el 20 de mayo de 2019. [60]

Preocupaciones

En 2010, Marcus Foster, de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Mancomunidad de Australia (CSIRO), publicó una crítica de amplio alcance del SI; planteó numerosas cuestiones que iban desde cuestiones básicas como la ausencia del símbolo "Ω" ( omega , utilizado para el ohmio ) en la mayoría de los teclados de ordenador occidentales hasta cuestiones abstractas como el formalismo inadecuado en los conceptos metrológicos en los que se basa el SI. Los cambios propuestos en el nuevo SI sólo abordaban problemas con la definición de las unidades base, incluidas nuevas definiciones de la candela y el mol  , unidades que Foster argumentaba que no son verdaderas unidades base. Otras cuestiones planteadas por Foster quedaban fuera del alcance de la propuesta. [61]

Definiciones de unidad explícita y constante explícita

Se han expresado preocupaciones de que el uso de definiciones de constantes explícitas de la unidad que se está definiendo que no están relacionadas con un ejemplo de su cantidad tendrá muchos efectos adversos. [62] Aunque esta crítica se aplica a la vinculación del kilogramo con la constante de Planck h a través de una ruta que requiere un conocimiento tanto de la relatividad especial como de la mecánica cuántica, [63] no se aplica a la definición del amperio, que está más cerca de un ejemplo de su cantidad que la definición anterior. [64] Algunos observadores han acogido con agrado el cambio para basar la definición de corriente eléctrica en la carga del electrón en lugar de la definición anterior de una fuerza entre dos cables paralelos que transportan corriente; debido a que la naturaleza de la interacción electromagnética entre dos cuerpos es algo diferente en el nivel de la electrodinámica cuántica que en los niveles de la electrodinámica clásica , se considera inapropiado utilizar la electrodinámica clásica para definir cantidades que existen en los niveles de la electrodinámica cuántica. [45]

Masa y constante de Avogadro

Cuando en 2005 se informó de la escala de la divergencia entre el IPK y los prototipos nacionales de kilogramo, comenzó un debate sobre si el kilogramo debía definirse en términos de la masa del átomo de silicio-28 o utilizando la balanza de Kibble . La masa de un átomo de silicio podría determinarse utilizando el proyecto Avogadro y, utilizando la constante de Avogadro, podría vincularse directamente con el kilogramo. [65] También se han expresado preocupaciones de que los autores de la propuesta no habían abordado el impacto de romper el vínculo entre el mol, el kilogramo, el dalton y la constante de Avogadro ( N A ). [Nota 13] Este vínculo directo ha hecho que muchos argumenten que el mol no es una verdadera unidad física sino, según el filósofo sueco Johansson, un "factor de escala". [61] [66]

La octava edición del SI definió el dalton en términos de la masa de un átomo de 12 C. [67] Definió la constante de Avogadro en términos de esta masa y el kilogramo, lo que la hizo determinada experimentalmente. La redefinición fija la constante de Avogadro y el noveno SI [4] conserva la definición de dalton en términos de 12 C, con el efecto de que se romperá el vínculo entre el dalton y el kilogramo. [68] [69]

En 1993, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) aprobó el uso del dalton como alternativa a la unidad de masa atómica unificada con la salvedad de que la CGPM no había dado su aprobación. [70] Esta aprobación ha sido otorgada desde entonces. [71] Tras la propuesta de redefinir el mol fijando el valor de la constante de Avogadro, Brian Leonard de la Universidad de Akron , escribiendo en Metrologia , propuso que el dalton (Da) se redefiniera de manera que N A = (g/Da) mol −1 , pero que la unidad de masa atómica unificada ( m u ) mantuviera su definición actual basada en la masa de 12 C , dejando de ser exactamente igual al dalton. Esto daría como resultado que el dalton y la unidad de masa atómica difirieran potencialmente entre sí con una incertidumbre relativa del orden de 10 −10 . [72] Sin embargo, el 9.º Folleto del SI define tanto el dalton (Da) como la unidad de masa atómica unificada (u) exactamente como1/12⁠ de la masa de un átomo de carbono-12 libre y no en relación al kilogramo, [4] con el efecto de que la ecuación anterior será inexacta.

Temperatura

Los diferentes rangos de temperatura necesitan diferentes métodos de medición. La temperatura ambiente se puede medir por medio de la expansión y contracción de un líquido en un termómetro, pero las temperaturas altas a menudo se asocian con el color de la radiación del cuerpo negro . Wojciech T. Chyla, abordando la estructura del SI desde un punto de vista filosófico en el Journal of the Polish Physical Society , argumentó que la temperatura no es una unidad base real, sino un promedio de las energías térmicas de las partículas individuales que componen el cuerpo en cuestión. [45] Observó que en muchos artículos teóricos, la temperatura se representa mediante las cantidades Θ o β donde

O = a yo ; β = 1 a yo {\displaystyle \Theta = kT;\quad \beta ={\frac {1}{kT}}}

y k es la constante de Boltzmann. Sin embargo, Chyla reconoció que en el mundo macroscópico la temperatura juega el papel de una unidad básica porque gran parte de la teoría de la termodinámica se basa en la temperatura. [45]

El Comité Consultivo de Termometría , parte del Comité Internacional de Pesas y Medidas , publica una mise en pratique (técnica práctica), actualizada por última vez en 1990, para medir la temperatura. A temperaturas muy bajas y muy altas, a menudo vincula la energía a la temperatura a través de la constante de Boltzmann. [73] [74]

Intensidad luminosa

Foster sostuvo que "la intensidad luminosa [la candela] no es una cantidad física , sino una cantidad fotobiológica que existe en la percepción humana", cuestionando si la candela debería ser una unidad base. [61] Antes de la decisión de 1979 de definir las unidades fotométricas en términos de flujo luminoso (potencia) en lugar de intensidades luminosas de fuentes de luz estándar, ya existía la duda de si debería seguir existiendo una unidad base separada para la fotometría. Además, hubo un acuerdo unánime en que el lumen era ahora más fundamental que la candela. Sin embargo, en aras de la continuidad, la candela se mantuvo como unidad base. [75]

Véase también

Notas

  1. ^ El metro fue redefinido nuevamente en 1983, fijando el valor de la velocidad de la luz en el vacío. Esa definición no se modificó en 2019 y sigue vigente en la actualidad.
  2. ^ El dalton no está definido en la propuesta formal que será votada por la CGPM, sólo en la 9ª edición del Folleto SI .
  3. ^ El prototipo n.° 8(41) fue estampado accidentalmente con el número 41, pero sus accesorios llevan el número correcto 8. Dado que no existe ningún prototipo marcado con el 8, este prototipo se denomina 8(41). 
  4. ^ En particular, el CIPM debía preparar una puesta en práctica detallada para cada una de las nuevas definiciones de kilogramo, amperio, kelvin y mol establecidas por la 23ª CGPM . [29]
  5. ^ Estas constantes se describen en la versión 2006 del manual SI, pero en esa versión, las últimas tres se definen como "constantes que deben obtenerse experimentalmente" en lugar de como "constantes definitorias".
  6. ^ Aunque la frase utilizada aquí es más concisa que en la definición anterior, sigue teniendo el mismo significado. Esto se aclara en el 9.º Folleto del SI, que casi inmediatamente después de la definición en la pág. 130 afirma: "El efecto de esta definición es que el segundo es igual a la duración de9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental no perturbado del átomo de 133 Cs."
  7. ^ Se debe agregar una nota sobre la definición de la unidad de campo magnético (tesla). Cuando el amperio se definió como la corriente que fluye en dos cables paralelos largos separados por1 m provoca una fuerza de2 × 10 −7  N/m entre sí, también había otra definición: el campo magnético en la ubicación de cada uno de los cables en esta configuración se definió como2 × 10 −7  T . Es decir1 T es la intensidad del campo magnético B que provoca una fuerza de1 N/m en un cable que transporta una corriente de1 A . El numero2 × 10 −7 también se escribía como μ 0 /2 π . Esta definición arbitraria es lo que hizo que μ 0 fuera exactamente 4 π × 10−7  H/m. En consecuencia, el campo magnético cerca de un cable que lleva corriente viene dado por B = μ 0 I /2 πr . Ahora, con la nueva definición del amperio, la definición del tesla también se ve afectada. Más específicamente, se mantiene la definición que se basa en la fuerza de un campo magnético sobre un cable que lleva corriente ( F = I ⋅ B ⋅ l ) mientras que, como se mencionó anteriormente, μ 0 ya no puede ser exactamente 4 π × 10−7  H/m y debe medirse experimentalmente. El valor de la permitividad del vacío ε 0 = 1/( μ 0 c 2 ) también se ve afectado en consecuencia. Las ecuaciones de Maxwell "se encargarán" de que la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales sea F = 1/(4 πε 0 )( q 1 q 2 )/ r 2 .
  8. ^ Una nota a pie de página en la Tabla 8 sobre unidades no pertenecientes al SI dice: "El dalton (Da) y la unidad de masa atómica unificada (u) son nombres alternativos (y símbolos) para la misma unidad, igual a 1/12 de la masa de un átomo de carbono 12 libre, en reposo y en su estado fundamental".
  9. ^ Aunque las tres cantidades, temperatura, intensidad luminosa y cantidad de sustancia, pueden considerarse desde una perspectiva física fundamental como cantidades derivadas, son cantidades perceptualmente independientes y tienen constantes de conversión definidas que relacionan las unidades históricamente definidas con la física subyacente.
  10. ^ La definición de la candela es atípica dentro de las unidades base; traducir las mediciones físicas de intensidad espectral a unidades de candela también requiere un modelo de la respuesta del ojo humano a diferentes longitudes de onda de luz conocida como función de luminosidad y denotada por V ( λ ), una función que es determinada por la Comisión Internacional de Iluminación (CIE).
  11. ^ Las dimensiones de G son L 3 M −1 T −2 , por lo que una vez que se han establecido los estándares para la longitud y el tiempo, la masa puede, en teoría, deducirse de G . Cuando se establecen constantes fundamentales como relaciones entre estas tres unidades, las unidades pueden deducirse de una combinación de estas constantes; por ejemplo, como una combinación lineal de unidades de Planck .
  12. ^ Los siguientes términos se definen en el Vocabulario internacional de metrología – Conceptos básicos y generales y términos asociados Archivado el 17 de marzo de 2017 en Wayback Machine :
    • reproducibilidad de la medición – definición 2.25
    • Incertidumbre de medida estándar – definición 2.30
    • Incertidumbre relativa de medida estándar – definición 2.32
  13. ^ Las dos cantidades de la constante de Avogadro N A y el número de Avogadro N N son numéricamente idénticas, pero mientras que N A tiene la unidad mol −1 , N N es un número puro.

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Lectura adicional

  • El Sistema Internacional de Unidades (9.ª ed.), Oficina Internacional de Pesas y Medidas, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0
  • Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM) (10 de agosto de 2017). «Datos de entrada para el ajuste especial CODATA-2017». Metrologia (edición actualizada) . Consultado el 14 de agosto de 2017 .
  • Sitio web del BIPM sobre el nuevo SI, incluida una página de preguntas frecuentes.
  • Un punto de inflexión para la humanidad: la redefinición del sistema de medición mundial por parte del NIST
  • Medición de masa: el último artefacto – BBC Four

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