Mezinárodní výbor pro míry a váhy (CIPM) navrhl v roce 2011 změnu definic základních jednotek soustavy SI,^[1][2] která byla přijatá v roce 2018 a vstoupila v platnost v květnu 2019. Sada sedmi základních jednotek jako takových zůstala zachována: metr, kilogram, sekunda, kelvin, ampér, kandela a mol. Staré definice sekundy, metru a kandely byly považovány za vyhovující, a proto se změnily jen jejich formulace s ohledem na jednotný formát pro všechny jednotky. Definice kilogramu, ampéru, kelvinu a molu byly ale principiálně změněny tak, že každá z těchto jednotek je pevně spjata s určitou neměnnou vlastností přírody. Důležitým požadavkem na nové definice byla samozřejmě zpětná kompatibilita, tedy aby nové jednotky byly stejně velké jako stávající s maximální dosažitelnou přesností.

Protože byly splněny všechny klíčové podmínky požadované pro zavedení (přesnost nových metod realizace etalonů^[3] i nová adjustace fundamentálních fyzikálních konstant^[4]), Generální konference pro míry a váhy (CGPM) schválila změnu definic na svém 26. zasedání ve Versailles 16. listopadu 2018.^[5][6][7] Změna vstoupila v platnost 20. května 2019, tedy symbolicky ve Světový den metrologie, který je výročím přijetí Metrické konvence.^[5][8]

Řada autorů^{[zdroj⁠?[9]} vyjadřuje kritiku vůči některým definicím - včetně toho, že návrh nedokázal řešit dopad rozbití vazby mezi definicí daltonu a definicemi kilogramu, molu a Avogadrovy konstanty.

Motivace ke změně

Kilogram je jako poslední z jednotek SI definován fyzickým etalonem, mezinárodním prototypem kilogramu, se kterým je třeba porovnávat hmotnosti všech ostatních těles. Nelze ovšem zaručit, že hmotnost prototypu je absolutně stálá. Porovnávání s kanonickými kopiemi spíše naznačuje, že relativní nejistota měření je v řádu 10⁻⁸, tedy že hmotnost prototypu se přes veškerou snahu časem mění řádově o desítky mikrogramů. Přitom na definici kilogramu v současnosti závisí i jednotky ampér, mol a kandela, takže i jejich hodnoty mohou být považovány za časově ne zcela stabilní. Z těchto důvodů vznikla iniciativa definovat všechny jednotky pouze slovně, na základě neměnných vlastností přírody, k jejichž realizaci není potřeba konkrétní etalon.^{[10][11][12][1]}

Současná definice kelvinu, jednotky termodynamické teploty, je vázána na pevnou vlastnost přírody: teplotu trojného bodu vody. To se zdá být principiálně správné, ale praktická realizace naráží na problémy. Přesná teplota trojného bodu až příliš závisí na chemické čistotě a izotopovém složení použité vody. Navíc je technicky obtížné tuto definici používat při velmi nízkých teplotách, blízkých absolutní nule. Proto i kelvin má být definován novým způsobem.^[12][1]

Současná definice ampéru (a všech jednotek od něj odvozených) na základě magnetické síly působící mezi nekonečně dlouhými vodiči s elektrickým proudem rovněž naráží na problémy při praktické realizaci. Z toho důvodu už mnoho národních standardizačních úřadů používá etalony elektrických veličin založené na kvantovém Hallově jevu resp. Josephsonově jevu, jejichž elektrický odpor resp. elektrické napětí má fyzikálně jednoznačný vztah k hodnotě Planckovy konstanty a elementárního náboje. Navržené definice se přizpůsobily této praxi.^{[10][12][11][1]}

Základní idea nových definic

V minulosti se velmi osvědčily stávající definice jednotek sekunda a metr. Pouze tyto dvě jednotky zůstanou v novém systému absolutně stejně velké jako dříve. Sekunda je definována na základě vlastností atomu cesia, které jsou považovány za zcela stabilní, a v praxi je úspěšně realizována atomovými hodinami (tzv. cesiový standard). Metr je definován s využitím předchozí definice sekundy na základě pevné hodnoty rychlosti světla ve vakuu, která patří mezi základní fyzikální konstanty. Praktičnost těchto definic motivuje snahu formulovat definice ostatních jednotek stejným způsobem: stanovením přesné číselné hodnoty určité fyzikální konstanty.^[6]

Pro snazší pochopení nového systému a zdůraznění této základní myšlenky jsou definice všech 7 základních jednotek přeformulovány tak, aby byla explicitně uvedena konstanta, jejíž číselná hodnota je definicí fixována. Jde o principiálně stejný způsob, jakým se ve fyzice běžně definují přirozené jednotky.^[2]

Volba konstant

Definice sedmi základních jednotek vyžaduje stanovit číselné hodnoty vybraných sedmi fyzikálních veličin, které jsou obecně považovány za konstantní. CIPM ve svém návrhu, aktualizovaném začátkem roku 2018, zvolil tyto konstanty^[6][13] (návrh již respektuje novou speciální adjustaci konstant CODATA 2017^[4]):

• frekvence záření, které vzniká při přechodu atomu cesia 133 mezi dvěma energetickými hladinami velmi jemné struktury základního stavu: Δν_Cs = 9 192 631 770 Hz;
• rychlost světla ve vakuu: c = 299 792 458 m/s;
• Planckova konstanta: h = 6,626 070 15×10⁻³⁴ J s;
• elementární náboj: e = 1,602 176 634×10⁻¹⁹ C;
• Boltzmannova konstanta: k = 1,380 649×10⁻²³ J/K;
• Avogadrova konstanta: N_A = 6,022 140 76×10²³ mol⁻¹;
• světelná účinnost monochromatického záření o frekvenci 540 THz: K_cd = 683 lm/W.

Znění definic

Nové definice jednotek^[13] jsou uvedeny v takovém pořadí, aby každá závisela pouze na definicích již uvedených. Z toho je zřejmé, že nenastává definice kruhem. Pro srovnání jsou uvedeny i definice platné do května 2019.

Sekunda

Stará definice

Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133.

Později bylo upřesněno, že atom cesia musí být v klidu a teplota pozadí blízká 0 K. Ze třetího zákona termodynamiky plyne, že teplota absolutní nuly je nedosažitelná. Lze se k ní však libovolně přiblížit. Podmínku nulové termodynamické teploty je třeba chápat tak, že cesiové hodiny musí provádět korekce s ohledem na teplotu pozadí.

Návrh nové definice

Sekunda, značka „s“, je jednotka času v SI. Je definována fixací číselné hodnoty cesiové frekvence Δν_Cs, tedy frekvence přechodu mezi hladinami velmi jemného rozštěpení neporušeného základního stavu atomu cesia 133, aby byla rovna 9 192 631 770, je-li vyjádřena jednotkou Hz, rovnou s⁻¹.

Nová formulace je obsahově zcela shodná se stávající, včetně podmínek pro emisi záření. Neporušeným stavem se rozumí stav izolovaného atomu cesia nenarušený žádným vnějším polem, tedy ani zářením černého tělesa odpovídajícím teplotě okolního prostředí. Časem se rozumí vlastní čas z pohledu obecné teorie relativity. Nově definované podmínky jsou tak totožné s podmínkami předchozí definice (v klidu při teplotě 0 K). Liší se jen formálně, aby definice měla stejný formát jako ostatní navrhované definice, čímž vynikne idea, že každá jednotka je svázána s určitou neměnnou vlastností přírody.

Až na formální znění tedy zůstala definice sekundy nezměněna. Vzhledem k pokroku v metrologii času a frekvence se však uvažuje o budoucí faktické redefinici i u sekundy, která by měla vstoupit v platnost ještě před rokem 2030, podle předběžných předpokladů nejspíše v roce 2026.^[14][15] Precizní definice a realizace sekundy je velmi důležitá, protože v novém systému jsou definice všech jednotek kromě molu od sekundy odvozené.

Metr

Stará definice

Metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za dobu 1/299 792 458 sekundy.

Nová definice

Metr, značka „m“, je jednotka délky v SI. Je definována fixací číselné hodnoty rychlosti světla ve vakuu c, aby byla rovna 299 792 458, je-li vyjádřena jednotkou m s⁻¹, kde sekunda je definována pomocí cesiové frekvence Δν_Cs.

Také zde jsou obě formulace ekvivalentní. Definicí metru je přesně stanovena vlnová délka mikrovlnného záření, které je uvedeno v definici sekundy, vztahem

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}={\frac {299792458}{9192631770}}\,\mathrm {m} \approx 3{,}2612\dots \,\mathrm {cm} \,.}$

Porovnání neznámé vzdálenosti s touto vlnovou délkou lze provádět interferometricky.

Kilogram

Stará definice

Kilogram je jednotka hmotnosti; je rovna hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.

Nová definice

Kilogram, značka „kg“, je jednotka hmotnosti v SI. Je definována fixací číselné hodnoty Planckovy konstanty h, aby byla rovna 6,626 070 15×10⁻³⁴, je-li vyjádřena jednotkou J s, rovnou kg m² s⁻¹, kde metr a sekunda jsou definovány pomocí c a Δν_Cs.

Toto byla nejpodstatnější z přijatých změn. Definice založená na prototypu byla v platnosti již od první konference CGPM v roce 1889 a bylo zřejmé, že má své meze. Spojení se základní fyzikální konstantou nově umožnilo, aby velikost kilogramu a všech jednotek od něj odvozených byla spolehlivě časově stabilní. Planckova konstanta h je základní konstantou kvantové teorie, kde určuje mimo jiné vztah mezi energií a frekvencí fotonu: E=hf. Speciální teorie relativity poskytuje vztah mezi energií a hmotností, kde konstantou úměrnosti je rychlost světla ve vakuu: E=mc². Tyto dva fyzikální zákony umožňují odvodit definici kilogramu od číselné hodnoty Planckovy konstanty. K měření hmotnosti podle nových definic lze v praxi použít wattové váhy, přičemž se využije i nová definice ampéru.

Ampér

Stará definice

Ampér je stálý elektrický proud, který protéká dvěma rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči o zanedbatelném průřezu umístěnými ve vakuu 1 m od sebe, jestliže mezi vodiči působí magnetická síla o velikosti 2×10⁻⁷ newtonu na jeden metr délky vodiče.

Vyjádřeno jinými slovy: „Permeabilita vakua ${\displaystyle \mu _{0}}$ má hodnotu přesně ${\displaystyle 4\pi \times 10^{-7}}$ H/m.“

Nová definice

Ampér, značka „A“, je jednotka elektrického proudu v SI. Je definována fixací číselné hodnoty elementárního náboje, aby byla rovna 1,602 176 634×10⁻¹⁹, je-li vyjádřena jednotkou C, rovnou A s, kde sekunda je definována pomocí Δν_Cs.

Zafixování elementárního náboje a Planckovy konstanty stanovuje přesně také hodnotu Josephsonovy konstanty ${\displaystyle K_{\mathrm {J} }=2e/h\approx 484\,\mathrm {THz/V} }$ a von Klitzingovy konstanty ${\displaystyle R_{\mathrm {K} }=h/e^{2}\approx 25{,}8\,{\mathrm {k} \Omega }}$, které se vyskytují ve vztazích pro Josephsonův jev resp. kvantový Hallův jev. Tímto způsobem lze vytvořit etalony elektrického napětí U a elektrického odporu R. Realizace ampéru je pak založena na aplikaci Ohmova zákona ${\displaystyle I=U/R}$. Druhou možností je využití jednoelektronové pumpy s přesným taktováním, čímž by byl uzavřen tzv. metrologický trojúhelník.^{[pozn. 1]}

Kelvin

Stará definice

Kelvin, jednotka termodynamické teploty, je rovna zlomku 1/273,16 termodynamické teploty trojného bodu vody.

Nová definice

Kelvin, značka „K“, je jednotka termodynamické teploty v SI. Je definována fixací číselné hodnoty Boltzmannovy konstanty, aby byla rovna 1,380 649×10⁻²³, je-li vyjádřena jednotkou J K⁻¹, rovnou kg  m²s⁻² K⁻¹, kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány pomocí h, c a Δν_Cs.

Boltzmannova konstanta ${\displaystyle k}$ je základní konstantou statistické fyziky, kde spojuje entropii s rozdělením pravděpodobnosti mikrostavů systému. Jako konstanta úměrnosti se objevuje ve stavové rovnici ideálního plynu. Určuje také vztah mezi teplotou plynu a pohybovou energií jeho molekul (ekvipartiční teorém). Nová definice kelvinu umožňuje převést měření teploty na měření energie částic, což je v mnoha případech jednodušší, zejména při teplotách extrémně vysokých nebo nízkých.

Mol

Stará definice

Mol je látkové množství systému, který obsahuje stejný počet elementárních entit, kolik je atomů v 0,012 kg uhlíku ¹²C.

Tato definice svazuje látkové množství s hmotností. Lze ji vyjádřit slovy: „Relativní atomová hmotnost uhlíku 12 je přesně 12.“

Nová definice

Mol, značka „mol“, je jednotka látkového množství v SI. Je definována fixací číselné hodnoty Avogadrovy konstanty, aby byla rovna 6,022 140 76×10²³, je-li vyjádřena jednotkou mol⁻¹.

Z nové definice je více zřejmé, že látkové množství ${\displaystyle n}$ je veličina zcela nezávislá na ostatních šesti základních veličinách a jednoduše odpovídá počtu ${\displaystyle N}$ částic vybraného typu ve vzorku látky ${\displaystyle n={\frac {N}{N_{\mathrm {A} }}}}$.

Kandela

Stará definice

Kandela je svítivost zdroje, který vydává monochromatické záření o frekvenci 540×10¹² Hz, jehož intenzita v daném směru je 1/683 wattů na steradián.

Nová definice

Kandela, značka „cd“, je jednotka svítivosti v SI. Je definována fixací číselné hodnoty světelné účinnosti monochromatického záření o frekvenci 540×10¹² Hz, K_cd, aby byla rovna 683, je-li vyjádřena jednotkou lm W⁻¹, rovnou cd sr W⁻¹, nebo cd sr kg⁻¹ m⁻² s³, kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány pomocí h, c a Δν_Cs.

Rozdíl mezi těmito definicemi je pouze ve formulacích. Přesto v novém systému není jednotka kandela absolutně stejně velká, protože závisí na definici kilogramu.

Vztahy mezi jednotkami

Jednotka mol, která ve stávajícím systému závisí na definici kilogramu, je v novém systému zcela nezávislá na ostatních jednotkách. Tím je zvýrazněna odlišnost veličin hmotnost a látkové množství. Všechny ostatní jednotky naopak odkazují na definici sekundy, která je i nadále určena osvědčeným cesiovým standardem, nezávisle na ostatních základních jednotkách. Definice metru nadále vychází z definice sekundy a de facto určuje vlnovou délku zmíněného záření cesiového atomu podle vztahu ${\displaystyle \lambda =c/f}$. Nová definice kilogramu je vedle Planckovy konstanty založena na definicích metru a sekundy.

Ostatní závislosti jsou graficky vyznačeny v obrázku. Každé ze sedmi základních jednotek odpovídá hodnota jedné fyzikální konstanty. Srovnání s grafem v úvodu tohoto textu ukazuje, že ampér ani mol v novém systému nepoužívají definici kilogramu, ale nově na ní závisí kelvin.

Některé důsledky návrhu

Normativní určení hodnot vybraných fundamentálních konstant má vliv na další důležité fyzikální konstanty. Některé konstanty a převodní faktory původně zatížené nejistotami měření jsou v novém systému jednotek známy zcela přesně.^[11] Mezi ně patří:

• molární plynová konstanta ${\displaystyle R=N_{\mathrm {A} }k\approx 8{,}31\,\mathrm {J\,K^{-1}\,mol^{-1}} }$,
• Faradayova konstanta ${\displaystyle F=N_{\mathrm {A} }e\approx 9{,}65\times 10^{4}\,\mathrm {C/mol} }$,
• Stefanova–Boltzmannova konstanta ${\displaystyle \sigma ={\frac {2\pi ^{5}k^{4}}{15h^{3}c^{2}}}\approx 5{,}67\times 10^{-8}\,\mathrm {W\,m^{-2}\,K^{-4}} }$,
• Wienova konstanta ${\displaystyle b={\frac {hc}{k\mathrm {x} }}\approx 2{,}90\,\mathrm {mm\,K} }$ (číselný faktor ${\displaystyle \mathrm {x} \approx 4{,}97}$ je přesně určený^{[pozn. 2]}),
• Josephsonova konstanta ${\displaystyle K_{\mathrm {J} }=2e/h\approx 484\,\mathrm {THz/V} }$,
• von Klitzingova konstanta ${\displaystyle R_{\mathrm {K} }=h/e^{2}\approx 25{,}8\,{\mathrm {k} \Omega }}$,
• přepočet mezi SI jednotkou energie joule a často používaným elektronvoltem, který je dán číselnou hodnotou elementárního náboje ${\displaystyle 1\,\mathrm {eV} \approx 1{,}60\times 10^{-19}\,\mathrm {J} }$.

U jiných konstant je situace opačná, původně byly stanoveny přesně a nově jsou zatíženy nejistotou. Zejména jde o vlastnosti fyzikálního vakua:

• permeabilita vakua; ve starém systému přesně μ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m (z definice ampéru), v novém systému je dána vztahem ${\displaystyle {\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0}$Zdroj:https://cs.wikipedia.org?pojem=Nové_definice_SI
  Text je dostupný za podmienok Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3.0 Unported; prípadne za ďalších podmienok. Podrobnejšie informácie nájdete na stránke Podmienky použitia.

  ---