Usuari:Àlex595/Redefinició de les unitats del SI

Una comissió del Comitè Internacional de Peses i Mesures (CIPM) ha proposat de revisar les definicions formals de les unitats bàsiques del SI, propostes que estan sent examinades per aquest, i que podrien ser considerades per la 25a CGPM, l'any 2014. No s'espera que aquesta l'aprovi fins que la proposta compleixi certes condicions prèvies, i en tot cas no abans de 2014.

Els canvis proposats són:

"Hi continuarà havent les mateixes set unitats bàsiques (metres segon, quilogram, ampere, kelvin, mol i candela). D'aquests, el quilogram, l'ampere, el kelvin i el mol es redefiniran d'acord al càlcul dels valors numèrics exactes de la constant de Planck, de la càrrega elèctrica elemental, de la constant de Boltzmann i de la constant d'Avogadro, respectivament. El segon, el metre i la candela ja estan definits per constants físiques i només és necessari reeditar les seves definicions actuals. Les noves definicions milloraran el SI sense canviar la mida de les unitats, assegurant així la continuïtat amb els mesuraments actuals."

L'última gran reforma del sistema mètric fou realitzada el 1960, quan el Sistema Internacional d'Unitats (SI) fou formalment publicat como un conjunt coherent de unitats de pesos i mesures. El SI s'estructura al voltant de set unitats bàsiques que tenen definicions aparentment arbitràries, i unes altres vint unitats derivades d'aquestes primeres. Tot i que les pròpies unitats ja formen un sistema coherent, no és així amb les definicions de les mateixes. La proposta presentada a la CIPM tracta de posar remei a això mitjançant l'ús de magnituds fonamentals de la física com a base per a obtenir les esmentades unitats. Això significa, entre altres coses, que el prototip internacional del quilogram serà arxivat. El segon i el metre ja han sigut definits de la manera proposta.

Hi han hagut nombroses crítiques a les definicions revisades des de la seva proposta inicial, i s'ha argumentat que la proposta de reforma del SI requereix una discussió franca i oberta abans que es prenguin decisions al respecte.

Antecedents de la proposta

Naixement i evolució del SI

El 1875, vint dels països industrials més desenvolupats del món es van reunir per realitzar la Convenció del Metre. El resultat va ser la firma del Tractat del Metre, amb el qual tres organismes van ser creats per regular les unitats de mesura que s'utilitzarien a nivell internacional. Aquests van ser:

• CGPM (Conferència General De Pesos i Mesures o Conférence Générale des Poids et Mesures) - La Conferència es reuneix amb una freqüència de quatre a sis anys i està compost pels representants de les nacions que van firmar el Tractat del Metre. En ella es discuteixen i analitzen els mecanismes necessaris per assegurar la propagació i millora del Sistema Internacional d'Unitats, i ratifica els resultats en relació amb les noves determinacions metrològiques fonamentals.
• CIPM (Comitè Internacional de Pesos i Mesures o Comité International des Poids et Mesures ) El Comité està integrat per divuit científics eminents, cada un d'un país diferent i designats per la CGPM. El CIPM es reuneix anualment i s'encarrega d'assessorar la CGPM. El CIPM ha creat amb el temps una sèrie de subcomitès, cada un encarregat d'una àrea d'interès particular. Una d'elles, el CCU (Comitè Consultiu de les Unitats), entre altres coses, assessora la CIPM en qüestions relatives a les unitats de mesura.
• BIPM Oficina Internacional de Pesos i Mesures o Bureau International des Poids et Mesures ) - L'Oficina disposa d'instal·lacions de laboratori a les secretaries del CIPM i de la CGPM.

Des de 1960, quan la definició del metre va ser vinculada a una determinada longitud d'ona de la llum en lloc del prototip internacional del metre, l'única unitat de mesura que ha depès d'un artefacte en particular ha estat el quilogram. Amb els anys, petites derives en la massa del prototip internacional del quilogram han estat detectades; i podrien ser tan altes com 20 ×10⁻⁹ quilograms per any. En la 21a sessió de la CGPM (1999), es va instar als laboratoris nacionals de cada país membre a investigar com trencar el vincle entre el patró del quilogram i un artefacte específic.

Aparició de la proposta

Un informe publicat el 2007 pel Comitè Consultiu de Termometria del CIPM va notificar que la definició actual de la temperatura havia demostrat ser satisfactòria per a temperatures inferiors a 20 K i per a temperatures superiors a 1300 K. El comitè va opinar que la Constant de Boltzmann proporciona una millor base per al mesurament de la unitat de temperatura que la que ha permès el punt triple de l'aigua, ja que la primera ha pogut superar les dificultats que va sofrir la segona.

En la seva 23a reunió (2007), la CGPM va instar el CIPM a investigar l'ús de les constants físiques com a base per a totes les unitats de mesura, en lloc dels artefactes que estaven en ús en aquell moment. A l'any següent, aquesta instància va ser aprovada per la Unió Internacional de Física Pura i Aplicada (IUPAP). En una reunió del CCU celebrada en Reading, Regne Unit el setembre de 2010, es van acordar una resolució i uns projectes de revisió al butlletí del SI que havien de ser presentats en la pròxima reunió del CIPM l'octubre del 2010. La reunió del CIPM d'octubre de 2010 va concloure que "les condicions establertes per la Conferència General en la seva 23a reunió encara no s'han complert plenament. Per aquesta raó, el CIPM no proposa cap revisió del SI en l'actualitat"; tanmateix, el CIPM va presentar una resolució que seria examinada en la 24a CGPM (17 - 21 octubre de 2011), per a acordar les noves definicions, però per a no posar-les en pràctica fins que els detalls en relació amb aquestes finalitzessin. Aquesta resolució va ser acceptada per la Conferència; i a més, la CGPM va avançar la data de la seva 25a reunió del 2015 al 2014.

Canvis proposats pel CCU

En aquesta secció, una "X" al final d'una xifra significa que el dígit final d'aquesta encara no ha estat acordat.

El CCU ha proposat que, a més de la velocitat de la llum, es defineixin els valors exactes d'unes altres quatre constants físiques:

• La Constant de Planck h, el valor exacte de la qual és 6,626 06X ×10⁻³⁴ joules segon (J·s).
• La càrrega elemental e, el valor exacte de la qual és 1,602 17X ×10⁻¹⁹ C.
• La Constant de Boltzmann k, el valor exacte de la qual és 1,380 65X ×10⁻²³ joules per kelvin (J·K⁻¹).
• La Constant d'Avogadro N_A, el valor exacte de la qual és 6.022 14X ×10²³ mols recíprocs (mol⁻¹).

Aquestes constants són descrites en la versió del 2006 del manual del SI, de les quals les tres últimes van ser definides com a "constants a ser obtingudes per experimentació".

També es proposa que les següents constants físiques es mantinguin sense canvis:

• La velocitat de la llum c, que és exactament 299792458 metres per segon (m·s⁻¹).
• La freqüència de transició hiperfina de l'estat fonamental del cesi-133 (Δν ¹³³ Cs) _hfs, que és exactament 9 192 631 770 hertzs (Hz).
• L'eficàcia lluminosa (K_cd) d'una radiació monocromàtica de freqüència 540 ×10¹² Hz que són exactament 683 lúmens per vat (lm · W ^-1).

Les set definicions anteriors són reescrites després de la conversió de les unitats derivades (joule, coulomb, hertz, lumen i vat) a les set unitats bàsiques (segon, metre, quilogram, ampere, kelvin, mol i candela). En la llista que segueix, el símbol sr representa la unitat adimensional de l'estereoradian.

• Δν (¹³³Cs)_hfs = 9 192 631 770 s⁻¹
• c = 299 792 458 s⁻¹·m
• h = 6,626 06X ×10⁻³⁴ s⁻¹·m²·kg
• e = 1,602 17X ×10⁻¹⁹s·A
• k = 1,380 65X ×10⁻²³ s⁻²·m²·kg·K⁻¹
• N_A = 6.022 14X ×10²³ mol⁻¹
• K_cd = 683 s³·m⁻²·kg⁻¹·cd·sr

A més el CCU ha proposat:

• Que el prototip internacional del quilogram sigui retirat i que l'actual definició del quilogram sigui derogada.
• Que la definició actual de l'ampere sigui derogada també.
• Que la definició actual del kelvin sigui revocada.
• Que la definició actual del mol sigui revisada.

Aquests canvis provocaran la redefinició de les unitats bàsiques del SI, tot i que les definicions de les unitats derivades continuaran sent les mateixes.

Conseqüències d'aquests canvis sobre les unitats bàsiques

Es proposa que les definicions textuals de totes les unitats bàsiques siguin refinades o reescrites. Les definicions actual (2008) i proposada (2011) són comparades més a baix. (En molts casos, la xifra final de qualsevol constant física encara no s'ha acordat, pel que ha estat representada amb una "X")

Segon

La definició proposada és efectivament la mateixa que l'actual; l'única diferència arrela en el fet que les condicions en les quals es realitzen els mesuraments es fan més rigoroses.

Definició actual: El segon és la durada de 9 192 631 770 períodes de la radiació corresponent a la transició entre dos nivells hiperfins de l'estat fonamental de l'àtom de cesi-133.

Definició proposada: El segon, s, és la unitat de temps per defecte, i la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació del valor numèric de la freqüència de transició hiperfina en estat fonamental del cesi-133 en repòs i a una temperatura de 0 K, que són exactament iguals a 9 192 631 770 quan s'expressa en s^-1, que és igual a expressar-la en Hz.

Metre

La definició proposada és efectivament la mateixa que l'actual, sent l'única diferència el fet que l'ajustament de la definició del segon afectarà a la del metre.

Definició actual: El metre és la longitud del trajecte recorregut per la llum en el buit durant un interval de temps de 1/299 792 458 de segon.

Definició proposada: El metre, m, és la unitat de longitud per defecte; la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació del valor numèric de la velocitat de la llum en el buit, a ser igual exactament a 299 792 458 quan s'expressa en m·s ^-1.

Quilogram

La definició del quilogram sofreix un canvi fonamental - la definició actual defineix el quilogram com la massa del prototip internacional del quilogram, la nova definició el relaciona a l'energia equivalent d'un fotó, calculat via la constant de Planck.

Definició actual: El quilogram és la unitat de massa per defecte; aquesta és igual a la massa del prototip internacional del quilogram.

Definició proposada: El quilogram, kg, és la unitat de massa per defecte; la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació del valor numèric de la constant de Planck, a ser exactament igual a 6.626 06X ×10⁻³⁴ quan és expressada en s^-1·m ²·kg, que és igual a expressar-ho en J·s.

Una de les conseqüències d'aquest canvi és que la nova definició fa que el valor del quilogram depengui de les definicions del segon i del metre.

Ampere

La definició de l'ampere passa per una revisió major - la definició actual, que a la pràctica és difícil de realitzar amb gran precisió, està sent substituïda per una de més intuïtiva i més fàcil de realitzar a la pràctica.

Definició actual: El ampere és el corrent generat en una situació en què es col·loquessin paral·lelament i a 1 m de distància l'un de l'altre dos conductors rectilinis de longitud infinita i de secció circular menyspreable en el buit, corrent que produiria entre aquests conductors una força igual a 2 ×10⁻⁷ newton per metre de longitud.

Definició proposada: El ampere, A, és la unitat de corrent elèctric per defecte; la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació del valor numèric de la càrrega elèctrica fonamental, a ser exactament igual a 1.602 17X ×10⁻¹⁹ quan s'expressa en A · s, el qual és igual a expressar-lo en C.

Una de les conseqüències d'aquest canvi és que la nova definició de l'ampere ja no depèn de les definicions del quilogram i del metre. A més, a causa de la fixació d'un valor exacte per a la càrrega elemental, els valors de la permeabilitat al buit, de la permitivitat del buit i de la impedància de l'espai lliure, que fins ara han estat exactes (com la velocitat de la llum), quedarien amb un petit marge d'error experimental.

Kelvin

La definició del kelvin també serà sotmesa a un canvi fonamental si les propostes anteriors són acceptades. En lloc ser utilitzats els punts on l'aigua canvia d'estat per fixar l'escala de temperatura, en la proposta es recomana que l'equivalent de l'energia proporcionada per l'equació de Boltzmann sigui utilitzada en la nova definició.

Definició actual: El kelvin, unitat de temperatura termodinàmica, és definida per la fracció d'1/273.16 de la temperatura termodinàmica del Punt Triple de l'aigua.

Definició proposada: El kelvin, K, és la unitat de temperatura termodinàmica; la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació del valor numèric de la constant de Boltzmann, a ser exactament igual a 1.380 65X ×10⁻²³ quan s'expressa en s^-2·m²·kg·K^-1, que és igual a expressar-ho en J·K^-1.

Una de les conseqüències d'aquest canvi és que la nova definició fa que la determinació del valor del kelvin depengui de les definicions del segon, del metre i del quilogram.

Mol

La definició actual del mol vincula aquest al quilogram. La definició proposada trenca amb aquest vincle, fent del mol un nombre específic d'entitats d'alguna substància.

Definició actual: El mol és la quantitat de substància d'un sistema que conté tantes entitats elementals com àtoms hi ha en 0,012 quilograms de carboni-12. Quan el mol és emprat, les entitats elementals han de ser especificades, i aquestes poden ser àtoms, molècules, ions, electrons, o altres partícules o grups especificats de tals partícules.

Definició proposada: El mol, mol, és la unitat per defecte de la quantitat de substància d'una entitat elemental especificada, que pot ser un àtom, una molècula, ions, electrons, o qualsevol altra partícula i grup específic de les esmentades partícules; la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació el valor numèric de la constant d'Avogadro, a ser exactament igual a 6.022 14X ×; 10²³ quan aquest s'expressa en mol^-1.

Una conseqüència d'aquest canvi és que la relació actual entre la massa de l'àtom ¹²C, el dalton, el quilogram, i el nombre d'Avogadro ja no serà vàlida. Un dels següents valors ha de canviar:

• la massa del ¹²C, que ja no seria exactament de 12 daltons;
• la massa del propi dalton. En aquest cas canviarien les masses numèriques de tots els àtoms de la taula periòdica, excepte el ¹²C;
• el nombre d'àtoms de ¹²C en 12 grams o 0,012 quilograms, el qual és actualment el N_A per definició.

Candela

La definició proposada és igual a la definició actual, però està reformulada.

Definició actual: La candela és la intensitat lluminosa, en una direcció donada, d'una font que emet una radiació monocromàtica de freqüència 540 ×10¹² Hz i que té una intensitat energètica en l'esmentada direcció de 1/683 vats per estereoradian.

Definició proposada: La candela, cd, és la unitat d'intensitat lluminosa en una direcció donada; la seva magnitud s'estableix mitjançant la fixació del valor numèric de l'eficàcia lluminosa d'una radiació monocromàtica amb una freqüència de 540 ×10¹² Hz, exactament igual a 683 quan s'expressa en s³·m^-2·kg ^-1·cd·sr, o sigui cd·sr·W^-1, el qual és igual a lm^-1·W.

Impacte en la reproducibilitat dels mesuraments

En general, els canvis realitzats en les definicions els donaran una millora en el marge d'incertesa en aquelles reproduccions de les unitats bàsiques que utilizen l'estàndard de la mise en pratique (el portar a la pràctica).

La següent taula mostra les millores derivades de la proposta:

Incertesa relativa en els diferents mesuraments físics
Unitat	Constant de referència	Símbol de la constant	Incertesa amb les definicions actuals	Incertesa amb les definicions propostes
kg	Massa del prototip internacional del quilogram	m(K)	Exacte	5,0 x 10-8
	Constant de Planck	h	5,0 x 10-8	Exacte
A	Constant magnètica	μ0	Exacte	6.9 x 10-10
	Càrrega elemental	e	2,5 x 10-8	Exacte
K	Temperatura del Punt Triple de l'aigua	TPTA	Exacte	1,7 × 10-6
	Constant de Boltzmann	k	1,7 × 10-6	Exacte
Mol	Massa molar del 12C	M(12C)	Exacte	1,4 × 10-9
	Constant d'Avogadro	NA	1,4 × 10-9	Exacte

La incertesa relativa en la mesura del segon quedarà en 1 ×10⁻¹⁴, y en el cas del metre es mantindrà en 2.5 ×10⁻⁸.

Crítiques a les definicions propostes

Price ha argumentat que la nova proposta pot:

• causar confusió perquè les noves definicions explícites-constants no relacionen les unitats a un exemple de la seva quantitat;
• provocar el risc de destorbar l'avenç de la ciència perquè la definició circular de les unitats fa impossible detectar qualsevol canvi futur en les constants fonamentals;
• causar danys econòmics deguts als costos de transacció i a les barreres del comerci internacional.

Leonard ha sostingut que "el concepte fonamental del mol requereix del nombre d'entitats que comprenen un mol, és a dir, el nombre d'Avogadro, que ha ser exactament igual a la proporció de masses gram-a-Dalton" i que la proposta trenca amb aquesta condició de compatibilitat definint el quilogram, el Dalton i el mol de forma independient.

Pavese ha argumentat que una sèrie de temes deuen ser millor entesos abans que les definicions siguin canviades. Aquests temes inclouen la naturalesa i el valor del nombre d'Avogadro, la pèrdua de validesa del concepte d'unitat bàsica, la possibilitat de comprovar canvis futurs en les "constants fonamentals", i el canvio a les unitats amb incertesa experimental.

Vegeu també

• Sistema Internacional d'Unitats de Pesos i Mesures
• Constant física
• Unitats bàsiques del SI

Enllaços externs

• Lloc web del BIPM sobre el "Nou SI", incloent una pàgina de preguntes freqüents.
• The New SI: Units of measurement based on fundamental constants