Redéfinition 2019 des unités de base SI - 2019 redefinition of the SI base units

Le système SI après la redéfinition de 2019 : Dépendance des définitions d'unités de base sur des constantes physiques avec des valeurs numériques fixes et sur d'autres unités de base. Les flèches sont affichées dans la direction opposée par rapport aux graphiques de dépendance typiques , c'est- à- dire que dans ce graphique, cela signifie dépend de : est utilisé pour définir .${\displaystyle a\rightarrow b}$${\style d'affichage b}$${\style d'affichage a}$${\style d'affichage a}$${\style d'affichage b}$

Le système SI après 1983, mais avant le 2019 redéfinition: Dépendance à l' égard de l' unité de base des définitions sur d' autres unités de base (par exemple, le compteur est défini comme étant la distance parcourue par la lumière dans une fraction spécifique d'une seconde ), avec les constantes de la nature et artefacts utilisés pour les définir (comme la masse de l' IPK pour le kilogramme).

À compter du 20 mai 2019, jour du 144e anniversaire de la Convention du Mètre , les unités de base SI ont été redéfinies en accord avec le Système international des grandeurs . Dans la redéfinition, quatre des sept unités de base SI - le kilogramme , l' ampère , le kelvin et la mole - ont été redéfinies en définissant des valeurs numériques exactes lorsqu'elles sont exprimées en unités SI pour la constante de Planck ( h ), la charge électrique élémentaire ( e ), la constante de Boltzmann ( k _B ) et la constante d'Avogadro ( N _A ), respectivement. Le second , meter , et candela étaient déjà définis par des constantes physiques et n'ont pas fait l'objet d'une correction de leurs définitions. Les nouvelles définitions visaient à améliorer le SI sans changer la valeur d'aucune unité, assurant la continuité avec les mesures existantes. En novembre 2018, la 26e Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a approuvé à l'unanimité ces changements, que le Comité international des poids et mesures (CIPM) avait proposés plus tôt cette année-là après avoir déterminé que les conditions précédemment convenues pour le changement avaient été remplies. Ces conditions ont été satisfaites par une série d'expériences qui ont mesuré les constantes avec une grande précision par rapport aux anciennes définitions du SI, et ont été l'aboutissement de décennies de recherche.

Le précédent changement majeur du système métrique s'est produit en 1960 lorsque le Système international d'unités (SI) a été officiellement publié. A cette époque le mètre a été redéfini : la définition a été changée du prototype du mètre à un certain nombre de longueurs d' onde d'une raie spectrale d'un rayonnement de krypton-86 , le rendant dérivé de phénomènes naturels universels. Le kilogramme est resté défini par un prototype physique, ce qui en fait le seul artefact dont dépendent les définitions des unités SI. A cette époque, le SI, en tant que système cohérent , était construit autour de sept unités de base , dont les puissances étaient utilisées pour construire toutes les autres unités. Avec la redéfinition de 2019, le SI est construit autour de sept constantes de définition , permettant à toutes les unités d'être construites directement à partir de ces constantes. La désignation des unités de base est conservée mais n'est plus indispensable pour définir les unités SI.

Le système métrique a été conçu à l'origine comme un système de mesure dérivé de phénomènes immuables, mais des limitations pratiques ont nécessité l'utilisation d'artefacts - le prototype du mètre et le prototype du kilogramme - lorsque le système métrique a été introduit en France en 1799. Bien que il a été conçu pour une stabilité à long terme, les masses du kilogramme prototype et de ses copies secondaires ont montré de petites variations les unes par rapport aux autres au fil du temps ; ils ne sont pas considérés comme adéquats pour la précision croissante exigée par la science, ce qui incite à rechercher un remplaçant approprié. Les définitions de certaines unités ont été définies par des mesures difficiles à réaliser avec précision en laboratoire, comme le kelvin , qui a été défini en fonction du point triple de l'eau . Avec la redéfinition de 2019, le SI est devenu entièrement dérivé des phénomènes naturels, la plupart des unités étant basées sur des constantes physiques fondamentales .

Un certain nombre d'auteurs ont publié des critiques des définitions révisées ; leurs critiques incluent la prémisse selon laquelle la proposition n'a pas abordé l'impact de la rupture du lien entre la définition du dalton et les définitions du kilogramme, de la taupe et de la constante d'Avogadro .

Fond

La structure de base du SI a été développée sur environ 170 ans entre 1791 et 1960. Depuis 1960, les progrès technologiques ont permis de remédier aux faiblesses du SI telles que la dépendance à un artefact physique pour définir le kilogramme.

Développement du SI

Au cours des premières années de la Révolution française , les dirigeants de l' Assemblée nationale constituante française ont décidé d'introduire un nouveau système de mesure basé sur les principes de la logique et des phénomènes naturels. Le mètre était défini comme un dix millionième de la distance du pôle nord à l'équateur et le kilogramme comme la masse d'un millième de mètre cube d'eau pure. Bien que ces définitions aient été choisies pour éviter la propriété des unités, elles n'ont pas pu être mesurées avec suffisamment de commodité ou de précision pour être d'une utilité pratique. Au lieu de cela, des réalisations ont été créées sous la forme du mètre des archives et du kilogramme des archives qui étaient une "meilleure tentative" pour remplir ces principes.

En 1875, l'utilisation du système métrique s'était généralisée en Europe et en Amérique latine ; cette année-là, vingt nations industriellement développées se sont réunies pour la Convention du mètre , qui a conduit à la signature du traité du mètre , en vertu duquel trois organismes ont été créés pour prendre en charge les prototypes internationaux du kilogramme et du mètre, et pour réglementer les comparaisons avec les prototypes nationaux. Ils étaient:

• CGPM ( Conférence générale des poids et mesures , Conférence générale des poids et mesures ) – La Conférence se réunit tous les quatre à six ans et se compose de délégués des nations qui ont signé la convention. Il discute et examine les dispositions nécessaires pour assurer la propagation et l'amélioration du Système international d'unités et entérine les résultats des nouvelles déterminations métrologiques fondamentales .
• CIPM (Comité international des poids et mesures, Comité international des poids et mesures ) – Le comité est composé de dix-huit scientifiques éminents, chacun d'un pays différent, nommés par la CGPM. Le CIPM se réunit annuellement et a pour mission de conseiller la CGPM. Le CIPM a mis en place un certain nombre de sous-comités, chacun chargé d'un domaine d'intérêt particulier. L'un d'eux, le Comité consultatif des unités (CCU), conseille le CIPM sur les questions relatives aux unités de mesure.
• BIPM (Bureau international des poids et mesures, Bureau international des poids et mesures ) - Le Bureau assure la garde des prototypes internationaux du kilogramme et du mètre, fournit des installations de laboratoire pour des comparaisons régulières des prototypes nationaux avec le prototype international, et est le secrétariat du CIPM et de la CGPM.

La 1ère CGPM (1889) a formellement approuvé l'utilisation de 40 prototypes de compteurs et de 40 prototypes de kilogrammes fabriqués par la firme britannique Johnson Matthey comme normes mandatées par la Convention du mètre. Les prototypes Meter No. 6 et Kilogram KIII ont été désignés comme le prototype international du mètre et du kilogramme, respectivement ; la CGPM a conservé d'autres exemplaires comme exemplaires de travail, et le reste a été distribué aux États membres pour être utilisés comme prototypes nationaux. Environ une fois tous les 40 ans, les prototypes nationaux ont été comparés et recalibrés par rapport au prototype international.

En 1921, la Convention du mètre a été révisée et le mandat de la CGPM a été étendu pour fournir des normes pour toutes les unités de mesure, pas seulement la masse et la longueur. Dans les années qui ont suivi, la CGPM a pris la responsabilité de fournir des étalons de courant électrique (1946), de luminosité (1946), de température (1948), de temps (1956) et de masse molaire (1971). La 9e CGPM en 1948 a chargé le CIPM « de faire des recommandations pour un système pratique unique d'unités de mesure, adapté à l'adoption par tous les pays adhérant à la Convention du Mètre ». Les recommandations fondées sur ce mandat ont été présentées à la 11e CGPM (1960), où elles ont été formellement acceptées et ont reçu le nom de « Système International d'Unités » et son abréviation « SI ».

L'élan du changement

Il existe un précédent pour changer les principes sous-jacents à la définition des unités de base SI ; la 11e CGPM (1960) a défini le compteur SI en termes de longueur d'onde du rayonnement du krypton-86 , remplaçant la barre du compteur pré-SI, et la 13e CGPM (1967) a remplacé la définition originale de la seconde , qui était basée sur la moyenne de la Terre rotation de 1750 à 1892, avec une définition basée sur la fréquence du rayonnement émis ou absorbé avec une transition entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l' atome de césium-133 . La 17e CGPM (1983) a remplacé la définition du mètre de 1960 par une définition basée sur la seconde en donnant une définition exacte de la vitesse de la lumière en unités de mètres par seconde .

Masse dérive au fil du temps des prototypes nationaux K21-K40 , plus deux du prototype international de copies sœurs : K32 et K8 (41). Tous les changements de masse sont relatifs à l'IPK.

Depuis leur fabrication, des dérives allant jusqu'à 2 × 10 ^-8 kilogrammes par an dans le prototype national des kilogrammes par rapport au prototype international du kilogramme (IPK) ont été détectés. Il n'y avait aucun moyen de déterminer si les prototypes nationaux gagnaient en masse ou si l'IPK en perdait. Le métrologue de l' Université de Newcastle Peter Cumpson a depuis identifié l' absorption de vapeur de mercure ou la contamination carbonée comme causes possibles de cette dérive. Lors de la 21e réunion de la CGPM (1999), les laboratoires nationaux ont été invités à rechercher des moyens de rompre le lien entre le kilogramme et un artefact spécifique.

Les métrologues ont étudié plusieurs approches alternatives pour redéfinir le kilogramme sur la base de constantes physiques fondamentales. Entre autres, le projet Avogadro et le développement de la balance Kibble (dite « balance du watt » avant 2016) promettaient des méthodes de mesure indirecte de la masse avec une très grande précision. Ces projets ont fourni des outils qui permettent des moyens alternatifs de redéfinir le kilogramme.

Un rapport publié en 2007 par le Comité consultatif de thermométrie (CCT) au CIPM a noté que leur définition actuelle de la température s'est avérée insatisfaisante pour les températures inférieures à20 K et pour des températures supérieures1300K . Le comité a estimé que la constante de Boltzmann fournissait une meilleure base pour la mesure de la température que le point triple de l'eau car elle surmontait ces difficultés.

Lors de sa 23e réunion (2007), la CGPM a chargé le CIPM d'étudier l'utilisation de constantes naturelles comme base pour toutes les unités de mesure plutôt que les artefacts qui étaient alors utilisés. L'année suivante, cela a été approuvé par l' Union internationale de physique pure et appliquée (IUPAP). Lors d'une réunion du CCU tenue à Reading, Royaume-Uni , en septembre 2010, une résolution et des projets de modifications de la brochure SI qui devaient être présentés à la prochaine réunion du CIPM en octobre 2010 ont été approuvés en principe. La réunion du CIPM d'octobre 2010 a constaté que « les conditions fixées par la Conférence générale lors de sa 23e réunion n'ont pas encore été entièrement remplies. Pour cette raison, le CIPM ne propose pas de révision du SI à l'heure actuelle ». Le CIPM a cependant présenté une résolution pour examen à la 24e CGPM (17-21 octobre 2011) pour accepter les nouvelles définitions en principe, mais ne pas les mettre en œuvre tant que les détails n'auront pas été finalisés. Cette résolution a été acceptée par la conférence, et en outre la CGPM a avancé la date de la 25e réunion de 2015 à 2014. Lors de la 25e réunion du 18 au 20 novembre 2014, il a été constaté que « malgré [les progrès dans les exigences nécessaires] les données ne semblent pas encore suffisamment robustes pour que la CGPM adopte le SI révisé lors de sa 25e réunion", reportant ainsi la révision à la prochaine réunion en 2018. Des mesures suffisamment précises pour remplir les conditions étaient disponibles en 2017 et la redéfinition a été adopté lors de la 26e CGPM (13-16 novembre 2018).

Redéfinition

Suite à la redéfinition réussie du mètre en 1983 en termes de valeur numérique exacte pour la vitesse de la lumière, le Comité consultatif pour les unités (CCU) du BIPM a recommandé et le BIPM a proposé que quatre autres constantes de la nature soient définies pour avoir des valeurs exactes. Ceux-ci sont

• La constante de Planck h est exactement6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴  joule-seconde (J⋅s) .
• La charge élémentaire e est exactement1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  coulombs (C) .
• La constante de Boltzmann k est exactement1,380 649 × 10 ⁻²³  joules par kelvin (J⋅K ⁻¹ ) .
• La constante d'Avogadro N _A est exactement6,022 140 76 × 10 ²³  mole réciproque (mol ^-1 ) .

Ces constantes sont décrites dans la version 2006 du manuel SI mais dans cette version, les trois dernières sont définies comme des « constantes à obtenir par expérience » plutôt que comme des « constantes de définition ». La redéfinition retient inchangées les valeurs numériques associées aux constantes de la nature suivantes :

• La vitesse de la lumière c est exactement299 792 458  mètres par seconde (m⋅s ⁻¹ ) ;
• La fréquence de transition de la structure hyperfine à l' état fondamental de l'atome de césium-133 Δ ν _Cs est exactement9 192 631 770  hertz (Hz) ;
• L' efficacité lumineuse K _cd du rayonnement monochromatique de fréquence540 × 10 ¹²  Hz (540 THz ) - une fréquence de lumière de couleur verte à approximativement la sensibilité maximale de l'œil humain - est exactement683 lumens par watt (lm⋅W ⁻¹ ) .

Les sept définitions ci-dessus sont réécrites ci-dessous avec les unités dérivées ( joule , coulomb , hertz , lumen et watt ) exprimées en fonction des sept unités de base : seconde, mètre, kilogramme, ampère, kelvin, mole et candela, selon le Brochure du 9e SI. Dans la liste qui suit, le symbole sr représente l'unité sans dimension stéradian .

• Δ de _Cs = Δ de ( ¹³³ Cs) _HFS =9 192 631 770  s ^-1
• c =299 792 458  m⋅s ⁻¹
• h =6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴  kg⋅m ² s ⁻¹
• e =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
• K _cd =683 cd⋅sr⋅s ³ kg ⁻¹ m ⁻²

Dans le cadre de la redéfinition, le prototype international du kilogramme a été retiré et les définitions du kilogramme, de l' ampère et du kelvin ont été remplacées. La définition de la taupe a été révisée. Ces changements ont pour effet de redéfinir les unités de base SI, bien que les définitions des unités dérivées SI en termes d'unités de base restent les mêmes.

Impact sur les définitions des unités de base

À la suite de la proposition du CCU, les textes des définitions de toutes les unités de base ont été soit affinés, soit réécrits, en changeant l'accent des définitions d'unité explicite en définitions de type constant explicite. Les définitions de type d'unité explicite définissent une unité en termes d'un exemple spécifique de cette unité ; par exemple, en 1324, Édouard II a défini le pouce comme étant la longueur de trois grains d'orge et de 1889 à 2019, le kilogramme a été défini comme la masse du prototype international du kilogramme. Dans les définitions de constantes explicites, une constante de la nature reçoit une valeur spécifiée et la définition de l'unité émerge en conséquence ; par exemple, en 1983, la vitesse de la lumière a été définie comme exactement299 792 458 mètres par seconde. La longueur du mètre a pu être dérivée car la seconde avait déjà été définie indépendamment. Les définitions précédentes et 2019 sont données ci-dessous.

Seconde

La nouvelle définition de la seconde est effectivement la même que la précédente, la seule différence étant que les conditions dans lesquelles la définition s'applique sont définies plus rigoureusement.

• Définition précédente : La seconde est la durée de9 192 631 770 périodes du rayonnement correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l' état fondamental de l'atome de césium-133.
• Définition 2019 : Le second, le symbole s, est l'unité de temps SI. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de la fréquence du césium Δ ν _Cs , la fréquence de transition hyperfine de l'état fondamental non perturbée de l'atome de césium-133, à être9 192 631 770 lorsqu'elle est exprimée dans l'unité Hz , qui est égale à s ^-1 .

La seconde peut être exprimée directement en termes de constantes de définition :

1 s = 9 192 631 770/Δ de _Cs.

Mètre

La nouvelle définition du mètre est effectivement la même que la précédente, la seule différence étant que la rigueur supplémentaire dans la définition de la seconde s'est propagée au mètre.

• Définition précédente : Le mètre est la longueur du chemin parcouru par la lumière dans le vide pendant un intervalle de temps de1/299 792 458 d'une seconde.
• Définition 2019 : Le mètre, symbole m, est l'unité SI de longueur. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de la vitesse de la lumière dans le vide c pour être299 792 458 lorsqu'il est exprimé dans l'unité m⋅s ^-1 , où la seconde est définie en termes de la fréquence de césium Δ de _Cs .

Le compteur peut être exprimé directement en termes de constantes de définition :

1 m = 9 192 631 770/299 792 458c/Δ de _Cs.

Kilogramme

Une balance Kibble , qui a servi à mesurer la constante de Planck en fonction du prototype international du kilogramme.

La définition du kilogramme a fondamentalement changé ; la définition précédente définissait le kilogramme comme la masse du prototype international du kilogramme , qui est un artefact plutôt qu'une constante de la nature. La nouvelle définition relie le kilogramme, entre autres, à la masse équivalente de l'énergie d'un photon compte tenu de sa fréquence, via la constante de Planck.

• Définition précédente : Le kilogramme est l'unité de masse ; elle est égale à la masse du prototype international du kilogramme.
• Définition 2019 : Le kilogramme, symbole kg, est l'unité SI de masse. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de la constante de Planck h pour être6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ lorsqu'elle est exprimée dans l'unité J⋅s, qui est égale à kg⋅m ² ⋅s ⁻¹ , où le mètre et la seconde sont définis en fonction de c et Δ ν _Cs .

À titre d'illustration, une redéfinition proposée antérieurement qui est équivalente à cette définition de 2019 est la suivante : « Le kilogramme est la masse d'un corps au repos dont l'énergie équivalente est égale à l'énergie d'une collection de photons dont les fréquences totalisent [1,356 392 489 652 × 10 ⁵⁰ ] hertz."

Le kilogramme peut être exprimé directement en termes de constantes de définition :

1kg = (299 792 458 ) ²/(6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 )h Δ ν _Cs/c ².

Menant à

1 J⋅s = h/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 (Δ ν _Cs ) 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 ) ²h (Δ ν _Cs ) ²/c

Ampère

L'ampère, symbole A, est l'unité SI du courant électrique. La définition de l' ampère a subi une révision majeure. La définition précédente, difficile à réaliser avec une grande précision en pratique, a été remplacée par une définition plus facile à réaliser.

• Définition précédente : L'ampère est ce courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles rectilignes de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à 1 m l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force égale à2 × 10 ^-7 newton par mètre de longueur.
• Définition 2019 : Le Coulomb ( C ) est égal à A⋅s. Par conséquent, l'ampère est égal à C s. Elle est ainsi définie en prenant la valeur de la charge élémentaire e comme1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ C , et en définissant la seconde en fonction de Δ ν _Cs .

L'ampère peut être exprimé directement en termes de constantes de définition comme :

1A = e Δ ν _Cs/(1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ )(9 192 631 770 )

où 9 192 631 770 est le nombre de radiations de l'atome de césium-133 en une seconde.

À titre d'illustration, cela équivaut à définir un coulomb comme un multiple exact spécifié de la charge élémentaire.

1 C = e/1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹

Parce que la définition précédente contient une référence à la force , qui a les dimensions MLT ^-2 , il s'ensuit que dans le précédent SI, le kilogramme, le mètre et la seconde - les unités de base représentant ces dimensions - devaient être définis avant que l'ampère puisse être défini . Autres conséquences de la définition précédente étaient que SI la valeur de perméabilité à vide ( μ ₀ ) a été fixé exactement4 π × 10 ^-7  H⋅m ^-1 . Parce que la vitesse de la lumière dans le vide ( c ) est également fixe, elle découle de la relation

${\displaystyle c^{2}={\frac {1}{\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}$

que la permittivité du vide ( de ε ₀ ) a une valeur fixe, et de

${\displaystyle Z_{0}={\sqrt {\frac {\mu _{0}}{\varepsilon _{0}}}},}$

que l' impédance d'espace libre ( Z ₀ ) avait également une valeur fixe.

Une conséquence de la définition révisée est que l'ampère ne dépend plus des définitions du kilogramme et du mètre ; elle dépend cependant encore de la définition de la seconde. De plus, les valeurs numériques exprimées en unités SI de la perméabilité du vide, de la permittivité du vide et de l'impédance de l'espace libre, qui étaient exactes avant la redéfinition, sont sujettes à des erreurs expérimentales après la redéfinition. Par exemple, la valeur numérique de la perméabilité sous vide a une incertitude relative égale à celle de la valeur expérimentale de la constante de structure fine . La valeur CODATA 2018 pour l'incertitude type relative de est${\style d'affichage \alpha }$${\style d'affichage \alpha }$1,5 × 10 ^-10 .

La définition de l'ampère conduit à des valeurs exactes pour

1 V = 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹/(6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 )h Δ ν _Cs/e

1 Wb = 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹/6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴h/e

1 = (1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ ) ²/6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴h/et ²

Kelvin

La définition du kelvin a subi un changement fondamental. Plutôt que d'utiliser le point triple de l'eau pour fixer l'échelle de température, la nouvelle définition utilise l'équivalent énergétique donné par l'équation de Boltzmann .

• Définition précédente : Le kelvin, unité de température thermodynamique , est1/273.16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau.
• Définition 2019 : Le kelvin, symbole K, est l'unité SI de la température thermodynamique. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de la constante de Boltzmann k pour être1,380 649 × 10 ⁻²³ lorsqu'exprimé dans l'unité J⋅K ⁻¹ , qui est égal à kg⋅m ² ⋅s ⁻² ⋅K ⁻¹ , où le kilogramme, le mètre et la seconde sont définis en fonction de h , c et Δ v _Cs .

Le kelvin peut être exprimé directement en termes de constantes de définition comme :

1K = 1.380 649 × 10 ⁻²³/(6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 )h Δ ν _Cs/k.

Taupe

Une sphère presque parfaite de silicium ultra-pur - une partie du projet Avogadro aujourd'hui disparu , un projet de coordination internationale d'Avogadro pour déterminer la constante d'Avogadro

La définition précédente de la taupe la reliait au kilogramme. La définition révisée rompt ce lien en faisant d'une taupe un nombre spécifique d'entités de la substance en question.

• Définition précédente : La mole est la quantité de matière d'un système qui contient autant d'entités élémentaires qu'il y a d' atomes dans 0,012 kilogramme de carbone-12 . Lorsque la mole est utilisée, les entités élémentaires doivent être spécifiées et peuvent être des atomes, des molécules , des ions , des électrons , d'autres particules ou des groupes spécifiés de telles particules.
• Définition 2019 : La mole, symbole mol, est l'unité SI de quantité de substance. Une mole contient exactement6,022 140 76 × 10 ²³ entités élémentaires. Ce nombre est la valeur numérique fixe de la constante d'Avogadro , N _A , lorsqu'elle est exprimée dans l'unité mol ^-1 et est appelée nombre d'Avogadro. La quantité de substance, symbole n , d'un système est une mesure du nombre d'entités élémentaires spécifiées. Une entité élémentaire peut être un atome, une molécule, un ion, un électron, toute autre particule ou groupe spécifié de particules.

La mole peut être exprimée directement en termes de constantes de définition comme :

1 mole = 6,022 140 76 × 10 ²³/N _A.

Une conséquence de ce changement est que la relation précédemment définie entre la masse de l' atome de ¹² C, le dalton , le kilogramme et la constante d'Avogadro n'est plus valable. L'un des éléments suivants a dû être modifié :

• La masse d'un atome de ¹² C est exactement de 12 daltons.
• Le nombre de daltons dans un gramme est exactement la valeur numérique de la constante d'Avogadro : (c'est-à-dire 1 g/Da = 1 mol N _A ).

Le libellé de la 9e brochure SI implique que la première affirmation reste valide, ce qui signifie que la seconde n'est plus vraie. La constante de masse molaire , tout en restant avec une grande précision1 g/mol , n'est plus exactement égal à cela. L'annexe 2 de la 9e brochure SI indique que "la masse molaire du carbone 12, M ( ¹² C), est égale à0,012 kg⋅mol ⁻¹ avec une incertitude-type relative égale à celle de la valeur recommandée de N _A h au moment de l'adoption de la présente Résolution, à savoir4,5 × 10 ^-10 , et qu'à l'avenir sa valeur sera déterminée expérimentalement", ce qui ne fait aucune référence au dalton et est cohérent avec l'une ou l'autre affirmation.

Candela

La nouvelle définition de la candela est effectivement la même que la définition précédente car dépendante d'autres unités de base, de sorte que la redéfinition du kilogramme et la rigueur supplémentaire dans les définitions de la seconde et du mètre se propagent à la candela.

• Définition précédente : La candela est l' intensité lumineuse , dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence540 × 10 ¹²  Hz et qui a une intensité rayonnante dans cette direction de1/683watt par stéradian .
• Définition 2019 : La candela, symbole cd, est l'unité SI d'intensité lumineuse dans une direction donnée. Il est défini en prenant la valeur numérique fixe de l' efficacité lumineuse du rayonnement monochromatique de fréquence540 × 10 ¹²  Hz , K _cd , soit 683 lorsqu'il est exprimé dans l'unité lm⋅W ⁻¹ , qui est égal à cd⋅sr⋅W ⁻¹ , ou cd⋅sr⋅kg ⁻¹ m ⁻² ⋅s ³ où le kilogramme, le mètre et seconde sont définis en termes de h , c et Δ de _Cs .

1 disque = 1/683(6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 ) ²K _cd h (Δ ν _Cs ) ²

Impact sur la reproductibilité

Les sept unités de base SI seront définies en termes de constantes définies et de constantes physiques universelles. Sept constantes sont nécessaires pour définir les sept unités de base mais il n'y a pas de correspondance directe entre chaque unité de base spécifique et une constante spécifique ; à l'exception de la seconde et de la mole, plus d'une des sept constantes contribue à la définition d'une unité de base donnée.

Lorsque le New SI a été conçu pour la première fois, il y avait plus de six constantes physiques appropriées parmi lesquelles les concepteurs pouvaient choisir. Par exemple, une fois la longueur et le temps établis, la constante gravitationnelle universelle G pourrait, d'un point de vue dimensionnel, être utilisée pour définir la masse. En pratique, G ne peut être mesuré qu'avec une incertitude relative de l'ordre de 10 ^-5 , ce qui aurait conduit à ce que la limite supérieure de reproductibilité du kilogramme se situe autour de 10 ^-5 alors que le prototype international actuel du kilogramme peut être mesuré avec un reproductibilité de 1,2 × 10 ⁻⁸ . Les constantes physiques ont été choisies sur la base d'une incertitude minimale associée à la mesure de la constante et du degré d'indépendance de la constante par rapport aux autres constantes utilisées. Bien que le BIPM ait développé une mise en pratique standard (technique pratique) pour chaque type de mesure, la mise en pratique utilisée pour effectuer la mesure ne fait pas partie de la définition de la mesure - c'est simplement une assurance que la mesure peut être effectuée sans dépasser l'incertitude maximale spécifiée.

Acceptation

Une grande partie du travail effectué par le CIPM est déléguée à des comités consultatifs. Le Comité consultatif des unités (CCU) du CIPM a apporté les modifications proposées tandis que d'autres comités ont examiné la proposition en détail et ont formulé des recommandations concernant leur acceptation par la CGPM en 2014. Les comités consultatifs ont défini un certain nombre de critères qui doivent être remplis. avant de soutenir la proposition du CCU, notamment :

• Pour la redéfinition du kilogramme, au moins trois expériences distinctes donnant des valeurs pour la constante de Planck ayant une incertitude relative élargie (95 %) de pas plus de5 × 10 ⁻⁸ doit être effectué et au moins une de ces valeurs doit être meilleure que2 × 10 ^-8 . La balance Kibble et le projet Avogadro doivent être inclus dans les expériences et toute différence entre ceux-ci doit être conciliée.
• Pour la redéfinition du kelvin, l'incertitude relative de la constante de Boltzmann dérivée de deux méthodes fondamentalement différentes telles que la thermométrie acoustique à gaz et la thermométrie à gaz à constante diélectrique doit être meilleure que 10 ^-6 , et ces valeurs doivent être corroborées par d'autres mesures.

En mars 2011, le groupe International Avogadro Coordination (IAC) avait obtenu une incertitude de 3,0 × 10 ^-8 et le NIST avait obtenu une incertitude de3,6 × 10 ⁻⁸ dans leurs mesures. Le 1er septembre 2012, l' Association européenne des instituts nationaux de métrologie (EURAMET) a lancé un projet formel visant à réduire la différence relative entre la balance Kibble et l'approche de la sphère de silicium pour mesurer le kilogramme de(17 ± 5) × 10 ⁻⁸ à l'intérieur2 × 10 ^-8 . En mars 2013, la redéfinition proposée est connue sous le nom de « New SI », mais Mohr, dans un article faisant suite à la proposition de la CGPM mais antérieur à la proposition formelle du CCU, a suggéré que, parce que le système proposé utilise des phénomènes à l' échelle atomique plutôt que des phénomènes macroscopiques , il devrait être appelé le "Système Quantum SI".

À partir des valeurs recommandées par CODATA en 2014 pour les constantes physiques fondamentales publiées en 2016 à partir des données recueillies jusqu'à fin 2014, toutes les mesures répondaient aux exigences de la CGPM, et la redéfinition et la prochaine réunion quadriennale de la CGPM fin 2018 pouvaient désormais se poursuivre.

Le 20 octobre 2017, la 106e réunion du Comité international des poids et mesures (CIPM) a formellement accepté un projet de résolution A révisé, appelant à la redéfinition du SI, qui sera mis aux voix lors de la 26e CGPM, le même jour, en réponse Suite à l'approbation des valeurs finales par le CIPM, le groupe de travail CODATA sur les constantes fondamentales a publié ses valeurs recommandées de 2017 pour les quatre constantes avec incertitudes et les valeurs numériques proposées pour la redéfinition sans incertitude. Le vote, qui s'est tenu le 16 novembre 2018 lors de la 26e CGPM, a été unanime ; tous les représentants nationaux présents ont voté en faveur de la proposition révisée.

Les nouvelles définitions sont entrées en vigueur le 20 mai 2019.

Préoccupations

En 2010, Marcus Foster de l' Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) a publié une critique de grande envergure de l'IS ; il a soulevé de nombreuses questions allant de questions fondamentales telles que l'absence du symbole « Ω » (Omega, pour l' ohms ) de la plupart des claviers d'ordinateur occidentaux à des questions abstraites telles que l' insuffisance du formalisme dans les métrologiques concepts sur lesquels repose SI. Les changements proposés dans le nouveau SI ne traitaient que des problèmes de définition des unités de base, y compris de nouvelles définitions de la candela et de la taupe  – les unités, selon Foster, ne sont pas de véritables unités de base. D'autres questions soulevées par Foster n'entraient pas dans le cadre de la proposition.

Définitions d'unités explicites et de constantes explicites

Des inquiétudes ont été exprimées quant au fait que l'utilisation de définitions explicites et constantes de l'unité en cours de définition qui ne sont pas liées à un exemple de sa quantité aura de nombreux effets négatifs. Si cette critique s'applique au rattachement du kilogramme à la constante de Planck h par un itinéraire qui nécessite une connaissance à la fois de la relativité restreinte et de la mécanique quantique, elle ne s'applique pas à la définition de l'ampère, qui est plus proche d'un exemple de sa quantité que la définition précédente. Certains observateurs ont salué le changement de baser la définition du courant électrique sur la charge de l'électron plutôt que sur la définition précédente d'une force entre deux fils parallèles porteurs de courant ; parce que la nature de l'interaction électromagnétique entre deux corps est quelque peu différente au niveau de l'électrodynamique quantique qu'aux niveaux électrodynamiques classiques , il est considéré comme inapproprié d'utiliser l'électrodynamique classique pour définir les quantités qui existent aux niveaux électrodynamiques quantiques.

Masse et constante d'Avogadro

Lorsque l'ampleur de la divergence entre l' IPK et les prototypes nationaux du kilogramme a été signalée en 2005, un débat a commencé pour savoir si le kilogramme devait être défini en termes de masse de l' atome de silicium-28 ou en utilisant la balance Kibble . La masse d'un atome de silicium pourrait être déterminée à l'aide du projet Avogadro et en utilisant la constante d'Avogadro, elle pourrait être liée directement au kilogramme. Des inquiétudes selon lesquelles les auteurs de la proposition n'avaient pas abordé l'impact de la rupture du lien entre la mole, le kilogramme, le dalton et la constante d'Avogadro ( N _A ) ont également été exprimées. Ce lien direct a amené beaucoup à affirmer que la taupe n'est pas une véritable unité physique mais, selon le philosophe suédois Johansson, un "facteur d'échelle".

La 8e édition de la Brochure SI définit le dalton en fonction de la masse d'un atome de ¹² C. Elle définit la constante d'Avogadro en fonction de cette masse et du kilogramme, ce qui la rend déterminée par l'expérience. La proposition fixe la constante d'Avogadro et la 9e Brochure SI retient la définition du dalton en termes de ¹² C, avec pour effet que le lien entre le dalton et le kilogramme sera rompu.

En 1993, l' Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) a approuvé l'utilisation du dalton comme alternative à l' unité de masse atomique unifiée avec la qualification que la CGPM n'avait pas donné son approbation. Cette approbation a depuis été donnée. Suite à la proposition de redéfinir la mole en fixant la valeur de la constante d'Avogadro, Brian Leonard de l' Université d'Akron , écrivant dans Metrologia , a proposé que le dalton (Da) soit redéfini de telle sorte que N _A = (g/Da) mol ⁻¹ , mais que l'unité de masse atomique unifiée ( m _u ) conserve sa définition actuelle basée sur la masse de ¹² C , cessant d'être exactement égale au dalton. Il en résulterait que le dalton et l'unité de masse atomique seraient potentiellement différents l'un de l'autre avec une incertitude relative de l'ordre de 10 ^-10 . La 9ème brochure SI, cependant, définit à la fois le dalton (Da) et l'unité de masse atomique unifiée (u) comme exactement1/12 de la masse d'un atome de carbone 12 libre et non par rapport au kilogramme, de sorte que l'équation ci-dessus sera inexacte.

Température

Différentes plages de température nécessitent différentes méthodes de mesure. La température ambiante peut être mesurée au moyen de l'expansion et de la contraction d'un liquide dans un thermomètre, mais les températures élevées sont souvent associées à la couleur du rayonnement du corps noir . Wojciech T. Chyla, abordant la structure du SI d'un point de vue philosophique dans le Journal of the Polish Physical Society , a fait valoir que la température n'est pas une véritable unité de base mais une moyenne des énergies thermiques des particules individuelles qui composent le corps. concerné. Il a noté que dans de nombreux articles théoriques, la température est représentée par les quantités Θ ou β où

${\displaystyle \Theta =kT;\ \ \ \beta ={1 \over kT}}$

et k est la constante de Boltzmann. Chyla a reconnu, cependant, que dans le monde macroscopique, la température joue le rôle d'unité de base car une grande partie de la théorie de la thermodynamique est basée sur la température.

Le Comité consultatif de thermométrie , qui fait partie du Comité international des poids et mesures , publie une mise en pratique (technique pratique), mise à jour pour la dernière fois en 1990, pour la mesure de la température. A très basse et à très haute température, il relie souvent l'énergie à la température via la constante de Boltzmann.

Intensité lumineuse

Foster a fait valoir que « l'intensité lumineuse [la candela] n'est pas une quantité physique , mais une quantité photobiologique qui existe dans la perception humaine », se demandant si la candela devrait être une unité de base. Avant la décision de 1979 de définir les unités photométriques en termes de flux lumineux (puissance) plutôt que d' intensités lumineuses de sources lumineuses standard, on se demandait déjà s'il devait encore exister une unité de base distincte pour la photométrie. De plus, il a été unanimement reconnu que le lumen était désormais plus fondamental que la candela. Cependant, par souci de continuité, la candela a été conservée comme unité de base.

Voir également

• Système international d'unités  - Forme moderne du système métrique
• Vocabulaire International de Métrologie
• Constante physique  – Quantité physique universelle et immuable
• Unité de base SI  - L'une des sept unités de mesure qui définissent le système métrique
• Définitions 2005-2019 des unités de base SI
• Unités non-SI mentionnées dans le SI  - Unité acceptée pour une utilisation dans le Système international d'unités - modifications associées à la redéfinition de 2019

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

• Bureau international des poids et mesures (20 mai 2019), Brochure SI : Le système international d'unités (SI) (PDF) (9e éd.), ISBN 978-92-822-2272-0
• Bureau international des poids et mesures (BIPM) (10 août 2017). "Données d'entrée pour le réglage spécial CODATA-2017" . Metrologia (éd. mis à jour) . Consulté le 14 août 2017 .

Liens externes

• Site Web du BIPM sur le nouveau SI , y compris une page FAQ .