Revision des SI 2019

Im Jahr 2019 wurden vier der sieben SI-Basiseinheiten des Internationalen Größensystems (SI) neu definiert. Statt auf künstlichen Größen wie dem Standardkilogramm basieren sie nun auf natürlichen physikalischen Konstanten . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Seit dem 20. Mai 2019, dem 144. Jahrestag der Meterkonvention , sind Kilogramm , Ampere , Kelvin und Mol definiert, indem für die Planck-Konstante ( h ), die Elementarladung ( e ) , die Boltzmann-Konstante ( k_{_B} ) bzw. die Avogadro-Konstante ( N_{_A} ) exakte numerische Werte in SI-Einheiten festgelegt werden. Sekunde , Meter und Candela waren bereits zuvor mithilfe physikalischer Konstanten neu definiert worden . Ziel der vier neuen Definitionen war es, das SI zu verbessern, ohne die Werte bestehender Einheiten zu verändern und so die Kontinuität mit bestehenden Messungen zu gewährleisten. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Im November 2018 billigte die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) diese Änderungen einstimmig. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Das Internationale Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) hatte sie Anfang des Jahres vorgeschlagen, nachdem es festgestellt hatte, dass die zuvor vereinbarten Bedingungen für die Änderung erfüllt waren. ^{[ 7 ] : 23} Diese Bedingungen wurden durch eine Reihe von Experimenten erfüllt, die die Konstanten mit hoher Genauigkeit im Vergleich zu den alten SI-Definitionen maßen und den Höhepunkt jahrzehntelanger Forschung darstellten.

Die letzte große Änderung des metrischen Systems erfolgte 1960 mit der offiziellen Veröffentlichung des Internationalen Einheitensystems (SI). Damals wurde der Meter neu definiert: Seine Definition wurde vom Prototyp des Meters auf eine bestimmte Anzahl von Wellenlängen einer Spektrallinie der Krypton-86- Strahlung geändert, wodurch er sich aus universellen Naturphänomenen ableiten ließ. ^{[ Anmerkung 1 ]} Das Kilogramm blieb durch einen physikalischen Prototyp definiert und somit das einzige Artefakt, auf dem die SI-Einheitendefinitionen beruhten. Das SI, als kohärentes System , basierte damals auf sieben Basiseinheiten , deren Potenzen zur Konstruktion aller anderen Einheiten verwendet wurden. Mit der Neudefinition von 2019 basiert das SI nun auf sieben definierenden Konstanten , aus denen sich alle Einheiten direkt ableiten lassen. Die Bezeichnung der Basiseinheiten bleibt erhalten, ist aber für die Definition der SI-Einheiten nicht mehr zwingend erforderlich. ^{[ 4 ]}

Das metrische System wurde ursprünglich als Messsystem konzipiert, das sich aus unveränderlichen Phänomenen ableiten lässt ^{[ 8 ].} Praktische Einschränkungen erforderten jedoch die Verwendung von Artefakten – dem Prototyp des Meters und dem Prototyp des Kilogramms –, als das metrische System 1799 in Frankreich eingeführt wurde. Obwohl sie auf Langzeitstabilität ausgelegt waren, zeigten der Prototyp des Kilogramms und seine Nachbildungen im Laufe der Zeit geringe relative Massenschwankungen. Sie gelten daher als nicht ausreichend für die in der Wissenschaft zunehmend geforderte Genauigkeit, was die Suche nach einem geeigneten Ersatz auslöste. Die Definitionen einiger Einheiten basierten auf Messungen, die im Labor nur schwer präzise durchgeführt werden können, wie beispielsweise das Kelvin , das über den Tripelpunkt von Wasser definiert wurde . Mit der Neudefinition im Jahr 2019 ist das SI-System vollständig aus Naturphänomenen ableitbar, wobei die meisten Einheiten auf fundamentalen physikalischen Konstanten basieren .

Eine Reihe von Autoren hat Kritik an den überarbeiteten Definitionen veröffentlicht; ihre Kritikpunkte beinhalten die Prämisse, dass der Vorschlag die Auswirkungen der Aufhebung der Verbindung zwischen der Definition des Dalton ^{[ Anmerkung 2 ]} und den Definitionen des Kilogramms, des Mols und der Avogadro-Konstante nicht berücksichtigt hat .

Die Grundstruktur des SI wurde über einen Zeitraum von etwa 170 Jahren zwischen 1791 und 1960 entwickelt. Seit 1960 haben technologische Fortschritte es ermöglicht, Schwächen des SI, wie die Abhängigkeit von einem physikalischen Artefakt zur Definition des Kilogramms, zu beheben.

In den frühen Jahren der Französischen Revolution beschloss die französische Nationalversammlung , ein neues, auf Logik und Naturphänomenen basierendes Messsystem einzuführen. Der Meter wurde als ein Zehnmillionstel der Entfernung zwischen Nordpol und Äquator definiert, das Kilogramm als die Masse eines Tausendstel Kubikmeters reinen Wassers. Obwohl diese Definitionen gewählt wurden, um Besitzansprüche auf die Einheiten zu vermeiden, waren sie für den praktischen Gebrauch nicht ausreichend präzise und einfach zu messen. Stattdessen wurden mit dem Archivmeter ( mètre des Archives) und dem Archivkilogramm (kglikumme des Archives) zumindest annähernde Lösungen geschaffen , die einen bestmöglichen Versuch darstellten, diese Prinzipien umzusetzen. ^{[ 9 ]}

Bis 1875 hatte sich das metrische System in Europa und Lateinamerika weit verbreitet . In diesem Jahr trafen sich zwanzig Industrienationen zur Meterkonvention , die zur Unterzeichnung des Metervertrags führte. Dieser Vertrag sah die Einrichtung dreier Gremien vor, die die internationalen Prototypen des Kilogramms und des Meters verwalten und Vergleiche mit nationalen Prototypen regeln sollten . ^{[ 10 ] [ 11 ]}

• Die CGPM (Generalkonferenz für Maß und Gewicht ) tagt alle vier bis sechs Jahre und setzt sich aus Delegierten der Unterzeichnerstaaten des Übereinkommens zusammen. Sie erörtert und prüft die notwendigen Maßnahmen zur Verbreitung und Verbesserung des Internationalen Einheitensystems und bestätigt die Ergebnisse neuer grundlegender metrologischer Bestimmungen.
• CIPM (Internationales Komitee für Maß und Gewicht, Comité international des poids et mesures ) – Das Komitee besteht aus achtzehn renommierten Wissenschaftlern aus jeweils einem anderen Land, die vom CGPM nominiert werden. Das CIPM tagt jährlich und berät das CGPM. Es hat mehrere Unterkomitees eingerichtet, die jeweils für ein bestimmtes Interessengebiet zuständig sind. Eines dieser Komitees, das Beratende Komitee für Einheiten (CCU), berät das CIPM in Fragen der Maßeinheiten. ^{[ 12 ]}
• BIPM (Internationales Büro für Maße und Gewichte, Bureau international des poids et mesures ) – Das Büro verwahrt die internationalen Prototypen des Kilogramms und des Meters, stellt Laboreinrichtungen für regelmäßige Vergleiche der nationalen Prototypen mit dem internationalen Prototyp bereit und ist das Sekretariat des CIPM und des CGPM.

Die erste CGPM (1889) genehmigte formell die Verwendung von 40 Prototyp-Metern und 40 Prototyp-Kilogrammen der britischen Firma Johnson Matthey als die in der Meterkonvention festgelegten Standards. ^{[ 13 ]} Die Prototypen Meter Nr. 6 und Kilogramm KIII wurden als internationaler Prototyp des Meters bzw. des Kilogramms bestimmt; die CGPM behielt weitere Exemplare als Arbeitsexemplare, die übrigen wurden an die Mitgliedstaaten zur Verwendung als nationale Prototypen verteilt. Etwa alle 40 Jahre wurden die nationalen Prototypen mit dem internationalen Prototyp verglichen und neu kalibriert. ^{[ 14 ]}

1921 wurde die Meterkonvention überarbeitet und das Mandat des CGPM erweitert, um Standards für alle Maßeinheiten, nicht nur für Masse und Länge, bereitzustellen. In den folgenden Jahren übernahm das CGPM die Verantwortung für die Bereitstellung von Standards für elektrischen Strom (1946), Leuchtkraft (1946), Temperatur (1948), Zeit (1956) und molare Masse (1971). ^{[ 15 ]} Das 9. CGPM beauftragte 1948 das CIPM, „Empfehlungen für ein einheitliches, praktisches Einheitensystem zu erarbeiten, das von allen Staaten, die der Meterkonvention beigetreten sind, übernommen werden kann“. ^{[ 16 ]} Die auf diesem Mandat basierenden Empfehlungen wurden dem 11. CGPM (1960) vorgelegt, wo sie formell angenommen und als „ Système International d’Unités “ (Internationales Einheitensystem) mit der Abkürzung „SI“ bezeichnet wurden. ^{[ 17 ]}

Es gibt Präzedenzfälle für die Änderung der grundlegenden Prinzipien der Definition der SI-Basiseinheiten: Das 11. CGPM (1960) definierte das SI-Meter anhand der Wellenlänge der Krypton-86 -Strahlung und ersetzte damit den vor-SI-Meterbalken. Das 13. CGPM (1967) ersetzte die ursprüngliche Definition der Sekunde , die auf der durchschnittlichen Erdrotation von 1750 bis 1892 basierte ^{[ 18 ]} , durch eine Definition, die auf der Frequenz der Strahlung beruhte, die bei einem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Cäsium-133- Atoms emittiert oder absorbiert wird. Das 17. CGPM (1983) ersetzte die Definition des Meters von 1960 durch eine auf der Sekunde basierende Definition, indem es eine exakte Definition der Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde angab ^{[ 19 ]} .

Seit ihrer Herstellung wurden Verdriftungen von bis zuEs wurde eine jährliche Abweichung von ^{2 × 10⁻⁸} Kilogramm ( 20 μg) des nationalen Kilogramm-Prototyps relativ zum internationalen Kilogramm-Prototyp (IPK) festgestellt. Es ließ sich nicht feststellen, ob die nationalen Prototypen an Masse zunahmen oder der IPK an Masse verlor. ^{[ 21 ]} Der Metrologe Peter Cumpson von der Universität Newcastle identifizierte daraufhin Quecksilberdampfabsorption oder kohlenstoffhaltige Verunreinigungen als mögliche Ursachen dieser Abweichung. ^{[ 22 ] [ 23 ]} Auf der 21. Sitzung der CGPM (1999) wurden die nationalen Laboratorien aufgefordert, Möglichkeiten zur Entkopplung des Kilogramms von einem spezifischen Artefakt zu untersuchen.

Metrologen untersuchten verschiedene alternative Ansätze zur Neudefinition des Kilogramms auf Basis fundamentaler physikalischer Konstanten. Unter anderem versprachen das Avogadro-Projekt und die Entwicklung der Kibble-Waage (vor 2016 als „Watt-Waage“ bekannt) Methoden zur indirekten Massenmessung mit sehr hoher Präzision. Diese Projekte lieferten Werkzeuge, die alternative Wege zur Neudefinition des Kilogramms ermöglichen. ^{[ 24 ]}

Ein 2007 vom Beratenden Komitee für Thermometrie (CCT) an das CIPM veröffentlichter Bericht stellte fest, dass sich deren derzeitige Temperaturdefinition für Temperaturen unterhalb von 100 °C als unzureichend erwiesen hat.20 K und für Temperaturen über1300 K. Das Komitee vertrat die Ansicht, dass die Boltzmann-Konstante eine bessere Grundlage für die Temperaturmessung biete als der Tripelpunkt von Wasser, da sie diese Schwierigkeiten überwinde. ^{[ 25 ]}

Auf ihrer 23. Sitzung (2007) beauftragte die CGPM das CIPM, die Verwendung von Naturkonstanten als Grundlage aller Maßeinheiten anstelle der damals gebräuchlichen Artefakte zu untersuchen. Im folgenden Jahr wurde dies von der Internationalen Union für Reine und Angewandte Physik (IUPAP) bestätigt. ^{[ 26 ]} Auf einer Sitzung der CCU im September 2010 in Reading, Vereinigtes Königreich , wurde eine Resolution ^{[ 27 ]} und ein Entwurf für Änderungen der SI-Broschüre, die der nächsten CIPM-Sitzung im Oktober 2010 vorgelegt werden sollten, grundsätzlich angenommen. ^{[ 28 ]} Die CIPM-Sitzung im Oktober 2010 stellte fest: „Die von der Generalkonferenz auf ihrer 23. Sitzung festgelegten Bedingungen sind noch nicht vollständig erfüllt. ^{[ Anmerkung 4 ]} Aus diesem Grund schlägt das CIPM derzeit keine Revision des SI vor.“ ^{[ 30 ]} Das CIPM legte jedoch auf der 24. CGPM (17.–21. Oktober 2011) eine Resolution zur Prüfung vor, in der es den neuen Definitionen grundsätzlich zustimmte, sie aber erst nach Festlegung der Details umsetzen wollte. ^{[ 31 ]} Diese Resolution wurde von der Konferenz angenommen. ^{[ 32 ]} Darüber hinaus verlegte die CGPM den Termin ihrer 25. Tagung von 2015 auf 2014. ^{[ 33 ] [ 34 ]} Auf der 25. Tagung vom 18. bis 20. November 2014 wurde festgestellt, dass „trotz [Fortschritten bei den notwendigen Anforderungen] die Daten noch nicht ausreichend robust erscheinen, damit die CGPM die überarbeitete SI auf ihrer 25. Tagung annehmen kann“. ^{[ 35 ]} Daher wurde die Überarbeitung auf die nächste Tagung im Jahr 2018 verschoben. Im Jahr 2017 lagen Messungen vor, die genau genug waren, um die Bedingungen zu erfüllen, und die Neudefinition ^{[ 36 ]} wurde auf der 26. CGPM (13.–16. November 2018) verabschiedet.

Nach der erfolgreichen Neudefinition des Meters im Jahr 1983 anhand eines exakten Zahlenwerts für die Lichtgeschwindigkeit empfahl der Beratende Ausschuss für Einheiten (CCU) des BIPM, und das BIPM schlug vor, vier weitere Naturkonstanten mit exakten Werten zu definieren. Diese sind: ^{[ Anmerkung 5 ]}

• Die Planck-Konstante h ist genau6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴  Joule-Sekunde (J⋅s) .
• Die Elementarladung e ist genau1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Coulomb (C) .
• Die Boltzmann-Konstante k ist genau1,380 649 × 10 ⁻²³  Joule pro Kelvin (J⋅K ⁻¹ ) .
• Die Avogadro-Konstante N _A ist genau6,022 140 76 × 10 ²³  reziproke Mol (mol ⁻¹ ) .

Die Neudefinition behält die numerischen Werte der folgenden Naturkonstanten unverändert bei:

• Die Lichtgeschwindigkeit c beträgt genau299 792 458  Meter pro Sekunde (m⋅s ⁻¹ ) ;
• Die Hyperfeinstruktur-Übergangsfrequenz Δ ν _Cs des Cäsium-133-Atoms im Grundzustand beträgt genau9 192 631 770  Hertz (Hz) ;
• Die Lichtausbeute monochromatischer Strahlung der Frequenz5,40 × 10 ¹⁴  Hz (540 THz ) – eine Frequenz von grünem Licht bei etwa der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Auges – K _cd (wobei der Index „cd“ das Symbol für Candela ist) ist genau683 Lumen pro Watt (lm⋅W ⁻¹ ) .

Die sieben oben genannten SI-Konstanten , ausgedrückt in abgeleiteten Einheiten ( Joule , Coulomb , Hertz , Lumen und Watt ), werden im Folgenden in den sieben Basiseinheiten (Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela) umgeschrieben; ^{[ 4 ]} die dimensionslose Einheit Steradiant (Symbol sr) wird ebenfalls verwendet:

• 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
• c =299 792 458  m⋅s ⁻¹
• Δ ν _Cs = Δ ν ( ¹³³ Cs) _hfs =9 192 631 770  s ⁻¹
• K _cd =683 cd⋅sr⋅s ³ ⋅kg ⁻¹ ⋅m ⁻²

Im Zuge der Neudefinition wurde der Internationale Kilogrammprototyp außer Kraft gesetzt und die Definitionen von Kilogramm, Ampere und Kelvin ersetzt. Die Definition des Mols wurde überarbeitet. Diese Änderungen bewirken eine Neudefinition der SI-Basiseinheiten, wobei die Definitionen der abgeleiteten SI-Einheiten in Bezug auf die Basiseinheiten unverändert bleiben.

Im Anschluss an den CCU-Vorschlag wurden die Definitionen aller Basiseinheiten entweder überarbeitet oder neu formuliert, wobei der Schwerpunkt von expliziten Einheitendefinitionen auf explizite Konstantendefinitionen verlagert wurde. ^{[ 38 ]} Explizite Einheitendefinitionen definieren eine Einheit anhand eines konkreten Beispiels dieser Einheit; so definierte beispielsweise Edward II. im Jahr 1324 den Zoll als die Länge von drei Gerstenkörnern ^{[ 39 ]} , und von 1889 bis 2019 war das Kilogramm als die Masse des Internationalen Kilogrammprototyps definiert. Bei expliziten Konstantendefinitionen wird einer Naturkonstante ein bestimmter Wert zugewiesen, woraus sich die Definition der Einheit ergibt; so wurde beispielsweise im Jahr 2019 die Lichtgeschwindigkeit als exakt definiert.299.792.458 Meter pro Sekunde. Die Länge des Meters konnte abgeleitet werden, da die Sekunde bereits unabhängig definiert war. Die vorherigen Definitionen ^{[ 19 ]} und die Definitionen von 2019 ^{[4] [ 37} ] ^{sind unten aufgeführt} .

Die neue Definition der zweiten ist im Wesentlichen dieselbe wie die vorherige; der einzige Unterschied besteht darin, dass die Bedingungen, unter denen die Definition Anwendung findet, strenger definiert sind.

• Vorherige Definition : Die zweite ist die Dauer von9 192 631 770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen.
• Definition von 2019 : Die Sekunde, Symbol s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie ist definiert, indem man den festen numerischen Wert der Cäsiumfrequenz Δ ν _Cs , der ungestörten Hyperfeinübergangsfrequenz des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms, ^{[ Anmerkung 6 ]} als9 192 631 770 , ausgedrückt in der Einheit Hz , was gleich s ⁻¹ ist .

Der zweite Ausdruck kann direkt durch die definierenden Konstanten ausgedrückt werden:

1 s = ⁠9 192 631 770/Δ ν _Cs.​

Die neue Definition des Meters ist im Grunde dieselbe wie die vorherige; der einzige Unterschied besteht darin, dass die zusätzliche Strenge in der Definition der Sekunde auch auf den Meter übertragen wurde.

• Vorherige Definition : Der Meter ist die Länge des Weges, den Licht im Vakuum in einem Zeitintervall von … zurücklegt.1/299 792 458einer Sekunde.
• Definition von 2019 : Der Meter, Symbol m, ist die SI-Einheit der Länge. Er ist definiert, indem man den festen Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c als … annimmt.299 792 458 , ausgedrückt in der Einheit m⋅s ⁻¹ , wobei die Sekunde über die Cäsiumfrequenz Δ ν _Cs definiert ist .

Das Meter kann direkt durch die definierenden Konstanten ausgedrückt werden:

1 m = ⁠9 192 631 770/299 792 458⁠ ⁠C/Δ ν _Cs.​

Die Definition des Kilogramms wandelte sich grundlegend von einem Artefakt (dem Internationalen Kilogrammprototyp ) zu einer Naturkonstante. ^{[ 41 ]} Da die Planck-Konstante die Photonenenergie mit der Photonenfrequenz verknüpft, setzt die neue Definition das Kilogramm in Beziehung zur Masse, die der Energie eines Photons bei einer bestimmten Frequenz entspricht.

• Vorherige Definition : Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des internationalen Prototyps des Kilogramms.
• Definition von 2019 : Das Kilogramm, Symbol kg, ist die SI-Einheit der Masse. Es ist definiert, indem man der Planck-Konstante h einen festen Zahlenwert zuweist .6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ , ausgedrückt in der Einheit J ⋅s, was gleich kg⋅m ² ⋅s ⁻¹ ist , wobei Meter und Sekunde in Bezug auf c und Δ ν _Cs definiert sind .

Zur Veranschaulichung sei hier eine frühere, mit dieser Definition von 2019 gleichwertige Neudefinition genannt: „Das Kilogramm ist die Masse eines ruhenden Körpers, dessen äquivalente Energie der Energie einer Ansammlung von Photonen entspricht, deren Frequenzen sich zu [ ] summieren.1,356 392 489 652 × 10 ⁵⁰ ] Hertz." ^{[ 42 ]}

Das Kilogramm kann direkt durch die definierenden Konstanten ausgedrückt werden:

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

Führt zu

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

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

Die Definition des Ampere wurde grundlegend überarbeitet. Die vorherige Definition basierte auf unendlichen Längen, die nicht realisierbar sind: ^{[ 43 ]}

• Vorherige Definition : Das Ampere ist diejenige konstante Stromstärke , die, wenn sie in zwei geraden, parallelen Leitern unendlicher Länge mit vernachlässigbarem kreisförmigem Querschnitt aufrechterhalten wird und diese im Vakuum 1 m voneinander entfernt sind, zwischen diesen Leitern eine Kraft erzeugt, die gleich … ist.2 × 10 ⁻⁷ Newton pro Meter Länge.

Die Alternative umging dieses Problem:

• Definition von 2019 : Das Ampere, Symbol A, ist die SI-Einheit der elektrischen Stromstärke. Es ist definiert, indem man der Elementarladung e einen festen Zahlenwert zuweist .1,602 176 634 × 10 ^−19, ausgedrückt in der Einheit C , die gleich A⋅s ist, wobei die zweite durch Δ ν _Cs definiert ist .

Das Ampere lässt sich direkt durch die definierenden Konstanten ausdrücken wie folgt:

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

Zur Veranschaulichung: Dies entspricht der Definition eines Coulombs als ein exakt festgelegtes Vielfaches der Elementarladung.

1 C = ⁠e/1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹⁠

Da die vorherige Definition einen Bezug zur Kraft enthält , die die Dimension MLT⁻² hat , mussten im vorherigen SI-System Kilogramm, Meter und Sekunde – die Basiseinheiten dieser Dimensionen – definiert werden, bevor das Ampere definiert werden konnte. Weitere Konsequenzen der vorherigen Definition waren, dass im SI-System der Wert der ^{Vakuumpermeabilität} ( μ₀ ) exakt auf _1/2 festgelegt wurde.4 π × 10 ⁻⁷ H ⋅m ⁻¹ . ^{[ 44 ]}

Eine Folge der revidierten Definition ist, dass das Ampere nicht mehr von den Definitionen des Kilogramms und des Meters abhängt; es hängt jedoch weiterhin von der Definition der Sekunde ab. Darüber hinaus unterliegen die numerischen Werte der Vakuumpermeabilität, der Vakuumpermittivität und der Impedanz des Vakuums, die vor der Neudefinition exakt waren, nach der Neudefinition experimentellen Fehlern, wenn sie in SI-Einheiten ausgedrückt werden. ^{[ 45 ]} Beispielsweise hat der numerische Wert der Vakuumpermeabilität eine relative Unsicherheit, die der des experimentellen Wertes der Feinstrukturkonstante entspricht . ^{[ 46 ]} Der CODATA-2018- Wert für die relative Standardunsicherheit von beträgt${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \alpha }$1,6 × 10 ⁻¹⁰ . ^{[ 47 ] [ Anmerkung 7 ]}

Die Ampere-Definition führt zu exakten Werten für

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 ⁻³⁴⁠ ⁠H/e⁠

1  Ω = ⁠(1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ ) ²/6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴⁠ ⁠H/e ²⁠

Die Definition des Kelvins erfuhr eine grundlegende Änderung. Anstatt den Tripelpunkt des Wassers zur Festlegung der Temperaturskala zu verwenden, nutzt die neue Definition das Energieäquivalent gemäß der Boltzmann-Gleichung .

• Vorherige Definition : Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur , ist1/273,16der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser.
• Definition von 2019 : Das Kelvin, Symbol K, ist die SI-Einheit der thermodynamischen Temperatur. Es ist definiert, indem man der Boltzmann-Konstante k einen festen numerischen Wert zuweist.1,380 649 × 10 ^−23, ausgedrückt in der Einheit J⋅K ⁻¹ , was gleich kg⋅m ² ⋅s ⁻² ⋅K ⁻¹ ist , wobei Kilogramm, Meter und Sekunde in Bezug auf h , c und Δ ν _Cs definiert sind .

Das Kelvin kann direkt durch die definierenden Konstanten ausgedrückt werden wie folgt:

1 K = ⁠1,380 649 × 10 ⁻²³/(6,626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 )⁠ ⁠h Δ ν _Cs/k.​

Die bisherige Definition des Mols verknüpfte es mit dem Kilogramm. Die überarbeitete Definition löst diese Verknüpfung, indem sie ein Mol als eine bestimmte Anzahl von Einheiten des betreffenden Stoffes definiert.

• Frühere Definition : Ein Mol ist die Stoffmenge eines Systems, die so viele Elementarteilchen enthält, wie Atome in 0,012 Kilogramm Kohlenstoff-12 enthalten sind . Bei der Verwendung des Mols müssen die Elementarteilchen angegeben werden; dies können Atome, Moleküle , Ionen , Elektronen , andere Teilchen oder bestimmte Gruppen solcher Teilchen sein.
• Definition von 2019 : ^{[ 7 ] : 22} Das Mol, Symbol mol, ist die SI-Einheit der Stoffmenge. Ein Mol enthält genau6,022 140 76 × 10²³ ^{Elementarteilchen} . Diese Zahl ist der feste numerische Wert der Avogadro-Konstante N_A , ausgedrückt in der Einheit mol^⁻¹ , und wird als Avogadro-Zahl bezeichnet. ^{[ 7 ] [ 48 ]} Die Stoffmenge n eines Systems ist ein Maß für die Anzahl bestimmter Elementarteilchen. Ein Elementarteilchen kann ein Atom, ein Molekül, ein Ion, ein Elektron, jedes andere Teilchen oder eine bestimmte Teilchengruppe sein.

Die Stoffmenge (in Mol) kann direkt durch die definierenden Konstanten ausgedrückt werden als:

1 mol = ⁠6,022 140 76 × 10 ²³/N _{/ A}.​

Eine Folge dieser Änderung ist, dass die zuvor definierte Beziehung zwischen der Masse des ^¹² C-Atoms, dem Dalton , dem Kilogramm und der Avogadro-Konstante nicht mehr exakt ist. Eine der folgenden Größen musste sich ändern:

• Die Masse eines ungebundenen ¹² C-Atoms im elektronischen und nuklearen Grundzustand beträgt genau 12 Dalton.
• Die Anzahl der Dalton in einem Gramm entspricht genau dem Zahlenwert der Avogadro-Konstante: (d. h. 1 g/Da = 1 mol ⋅ N _A ).

Die Formulierung der 9. SI-Broschüre ^{[ 4 ] [ Anmerkung 8 ]} impliziert, dass die erste Aussage weiterhin gültig ist, was bedeutet, dass die zweite nicht mehr exakt zutrifft. Die molare Massenkonstante bleibt zwar weiterhin mit großer Genauigkeit erhalten.1 g/mol entspricht nicht mehr exakt diesem Wert. Anhang 2 der 9. SI-Broschüre besagt, dass „die molare Masse von Kohlenstoff-12, M ( ^¹²C ), gleich … ist.“0,012 kg⋅mol ⁻¹ innerhalb einer relativen Standardunsicherheit, die derjenigen des zum Zeitpunkt der Verabschiedung dieser Resolution empfohlenen Wertes von N _A h entspricht, nämlich4,5 × 10 ⁻¹⁰ , und dass sein Wert in Zukunft experimentell bestimmt werden wird", ^{[ 49 ] [ 50 ]} was keinen Bezug auf das Dalton nimmt und mit beiden Aussagen vereinbar ist.

Die neue Definition der Candela ist im Grunde dieselbe wie die vorherige, da sie von anderen Basiseinheiten abhängt. Daher wirken sich die Neudefinition des Kilogramms und die zusätzliche Strenge bei den Definitionen der Sekunde und des Meters auch auf die Candela aus.

• Vorherige Definition : Die Candela ist die Lichtstärke einer Lichtquelle in einer bestimmten Richtung, die monochromatische Strahlung der Frequenz ω aussendet.540 × 10 ¹²  Hz und hat eine Strahlungsintensität in dieser Richtung von ⁠1/683Watt pro Steradiant .
• Definition von 2019 : Die Candela (Symbol cd) ist die SI-Einheit der Lichtstärke in einer bestimmten Richtung. Sie ist definiert als die Lichtausbeute monochromatischer Strahlung der Frequenz ω.540 × 10 ¹²  Hz , K _cd , um 683 zu erhalten, wenn man es in der Einheit lm ⋅W ⁻¹ ausdrückt , was gleich cd⋅sr⋅W ⁻¹ oder cd⋅sr⋅kg ⁻¹ ⋅m ⁻² ⋅s ^{3 ist, wobei Kilogramm, Meter und Sekunde in Bezug auf} h , c und Δ ν _Cs definiert sind .

Die Candela kann direkt durch die definierenden Konstanten ausgedrückt werden als:

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

Alle sieben SI-Basiseinheiten sind durch definierte Konstanten ^{[ Anmerkung 9 ]} und universelle physikalische Konstanten definiert. ^{[ Anmerkung 10 ] [ 51 ]} Zur Definition der sieben Basiseinheiten werden sieben Konstanten benötigt, jedoch besteht keine direkte Entsprechung zwischen jeder spezifischen Basiseinheit und einer spezifischen Konstante; mit Ausnahme der Sekunde und des Mols tragen mehr als eine der sieben Konstanten zur Definition einer gegebenen Basiseinheit bei.

Bei der Entwicklung des neuen SI-Systems standen den Entwicklern mehr als sechs geeignete physikalische Konstanten zur Auswahl. Nachdem beispielsweise Länge und Zeit festgelegt waren, konnte die universelle Gravitationskonstante G aus dimensionsanalytischer Sicht zur Definition der Masse verwendet werden. ^{[ Anmerkung 11 ]} In der Praxis lässt sich G jedoch nur mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von ^10⁻⁵ messen . ^{[ Anmerkung 12 ]} Dies hätte zur Folge gehabt, dass die Reproduzierbarkeit des Kilogramms nach oben hin auf etwa 10⁻⁵ begrenzt gewesen wäre, ^während der damals gültige internationale Prototyp des Kilogramms mit einer Reproduzierbarkeit von 1,2 × 10⁻⁸ gemessen werden konnte ^. [ ^{45 ] Die} physikalischen Konstanten wurden anhand ihrer minimalen Messunsicherheit und ihrer Unabhängigkeit von anderen verwendeten Konstanten ausgewählt. Obwohl das BIPM für jede Art von Messung eine Standard -Mise en pratique (praktische Technik) ^{[ 52 ]} entwickelt hat , ist die zur Durchführung der Messung verwendete Mise en pratique nicht Teil der Definition der Messung – sie ist lediglich eine Zusicherung, dass die Messung durchgeführt werden kann, ohne die festgelegte maximale Unsicherheit zu überschreiten.

Ein Großteil der Arbeit des CIPM wird an beratende Ausschüsse delegiert. Der CIPM-Beratungsausschuss für Einheiten (CCU) hat die vorgeschlagenen Änderungen erarbeitet, während andere Ausschüsse den Vorschlag eingehend geprüft und Empfehlungen zu dessen Annahme durch den CGPM im Jahr 2014 abgegeben haben. Die beratenden Ausschüsse haben eine Reihe von Kriterien festgelegt, die erfüllt sein müssen, bevor sie den Vorschlag des CCU unterstützen, darunter:

• Für die Neudefinition des Kilogramms sind mindestens drei unabhängige Experimente erforderlich, die Werte für die Planck-Konstante mit einer relativen erweiterten (95%) Unsicherheit von höchstens5 × 10 ⁻⁸ muss durchgeführt werden und mindestens einer dieser Werte sollte besser sein als2 × 10⁻⁸ . Sowohl die Kibble-Waage als auch das Avogadro-Projekt sollten in die Experimente einbezogen werden, und etwaige Unterschiede zwischen ihnen müssen ausgeglichen werden ^{. [ 53 ] [ 54 ]}
• Für die Neudefinition des Kelvins muss die relative Unsicherheit der Boltzmann-Konstante, die aus zwei grundlegend verschiedenen Methoden wie der akustischen Gasthermometrie und der dielektrischen Gasthermometrie abgeleitet wird, besser als 10−6 sein ^, und diese Werte müssen durch weitere Messungen bestätigt werden. ^{[ 55 ]}

Stand März 2011 hatte die Internationale Avogadro-Koordinierungsgruppe (IAC) eine Unsicherheit von3,0 × 10 ⁻⁸ und NIST hatte eine Unsicherheit von3,6 × 10⁻⁸ in ihren Messungen. ^{[ 24 ]} Am 1. September 2012 startete die Europäische Vereinigung Nationaler Metrologieinstitute (EURAMET) ein formelles Projekt zur Verringerung des relativen Unterschieds zwischen der Kibble-Waage und der Siliziumkugelmethode zur Messung des Kilogramms ^.(17 ± 5) × 10 ⁻⁸ bis auf2 × 10 ⁻⁸ . ^{[ 56 ]} Seit März 2013 ist die vorgeschlagene Neudefinition als „Neues SI“ bekannt ^{[ 3 ]} , aber Mohr schlug in einer Arbeit, die dem CGPM-Vorschlag folgte, aber vor dem formalen CCU-Vorschlag entstand, vor, dass das vorgeschlagene System, da es Phänomene auf atomarer Ebene anstelle makroskopischer Phänomene nutzt , als „Quanten-SI-System“ bezeichnet werden sollte. ^{[ 57 ]}

Gemäß den 2014 von CODATA empfohlenen und 2016 veröffentlichten Werten der fundamentalen physikalischen Konstanten, die auf bis Ende 2014 erhobenen Daten basieren, erfüllten alle Messungen die Anforderungen des CGPM, sodass die Neudefinition und die nächste alle vier Jahre stattfindende CGPM-Tagung Ende 2018 nun erfolgen konnten. ^{[ 58 ] [ 59 ]}

Am 20. Oktober 2017 nahm die 106. Sitzung des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht (CIPM) formell einen überarbeiteten Resolutionsentwurf A an, der die Neudefinition des SI forderte und auf der 26. CGPM zur Abstimmung stand ^{[ 7 ] : 17–23.} Am selben Tag veröffentlichte die CODATA-Arbeitsgruppe für fundamentale Konstanten als Reaktion auf die Billigung der endgültigen Werte durch das CIPM ^{[ 7 ] : 22 ihre 2017 empfohlenen Werte für die vier Konstanten mit Unsicherheiten sowie vorgeschlagene numerische Werte für die Neudefinition ohne Unsicherheit [ 37 ]} . Die Abstimmung, die am 16. November 2018 auf der 26. CGPM stattfand, war einstimmig; alle anwesenden nationalen Vertreter stimmten für den überarbeiteten Vorschlag.

Die neuen Definitionen traten am 20. Mai 2019 in Kraft. ^{[ 60 ]}

Im Jahr 2010 veröffentlichte Marcus Foster von der australischen Forschungsorganisation CSIRO ( Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation ) eine umfassende Kritik am SI-Einheitensystem. Er thematisierte zahlreiche Probleme, von grundlegenden Fragen wie dem Fehlen des Symbols „Ω“ ( Omega , für Ohm ) auf den meisten westlichen Computertastaturen bis hin zu abstrakten Problemen wie dem unzureichenden Formalismus der metrologischen Konzepte, auf denen das SI basiert. Die im neuen SI vorgeschlagenen Änderungen befassten sich lediglich mit Problemen bei der Definition der Basiseinheiten, darunter neue Definitionen der Candela und des Mols  – Einheiten, die Foster als keine echten Basiseinheiten ansah. Andere von Foster angesprochene Punkte fielen nicht in den Rahmen des Vorschlags. ^{[ 61 ]}

Es wurden Bedenken geäußert, dass die Verwendung expliziter, konstanter Definitionen der zu definierenden Einheit, die keinen Bezug zu einem Beispiel ihrer Größe haben, zahlreiche negative Auswirkungen nach sich ziehen wird. ^{[ 62 ]} Obwohl diese Kritik die Verknüpfung des Kilogramms mit der Planck-Konstante h über einen Weg betrifft, der Kenntnisse sowohl der speziellen Relativitätstheorie als auch der Quantenmechanik erfordert, ^{[ 63 ]} trifft sie nicht auf die Definition des Ampere zu, die einem Beispiel seiner Größe näher kommt als die vorherige Definition. ^{[ 64 ]} Einige Beobachter begrüßten die Änderung, die Definition des elektrischen Stroms auf der Ladung des Elektrons anstatt auf der vorherigen Definition als Kraft zwischen zwei parallelen, stromdurchflossenen Drähten zu basieren; da die Natur der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen zwei Körpern auf der Ebene der Quantenelektrodynamik etwas anders ist als auf der Ebene der klassischen Elektrodynamik , wird es als unangebracht angesehen, die klassische Elektrodynamik zur Definition von Größen zu verwenden, die auf quantenelektrodynamischer Ebene existieren. ^{[ 45 ]}

Als 2005 das Ausmaß der Abweichung zwischen den IPK- und nationalen Kilogramm-Prototypen bekannt wurde, entbrannte eine Debatte darüber, ob das Kilogramm über die Masse des Silizium-28- Atoms oder mithilfe der Kibble-Waage definiert werden sollte. Würde die Masse eines Siliziumatoms im Rahmen des Avogadro-Projekts mithilfe der Avogadro-Konstante bestimmt , könnte sie direkt mit dem Kilogramm verknüpft werden. ^{[ 65 ]} Es wurden auch Bedenken geäußert , dass die Verfasser des Vorschlags die Auswirkungen der Aufhebung der Verbindung zwischen Mol, Kilogramm, Dalton und der Avogadro-Konstante ( N_{_A ) nicht ausreichend berücksichtigt hätten.} ^{[ Anmerkung 13 ]} Diese direkte Verbindung hat viele zu der Annahme veranlasst, dass das Mol keine echte physikalische Einheit, sondern – nach Ansicht des schwedischen Philosophen Johansson – ein „Skalierungsfaktor“ sei. ^{[ 61 ] [ 66 ]}

Die 8. Ausgabe der SI-Broschüre definierte das Dalton anhand der Masse eines ^¹² C- Atoms. ^{[ 67 ]} Die Avogadro-Konstante wurde anhand dieser Masse und des Kilogramms definiert und somit experimentell bestimmt. Die Neudefinition fixiert die Avogadro-Konstante, und die 9. SI-Broschüre ^{[ 4 ]} behält die Definition des Daltons anhand von ^¹² C bei, wodurch die Verbindung zwischen Dalton und Kilogramm aufgehoben wird. ^{[ 68 ] [ 69 ]}

1993 genehmigte die Internationale Union für Reine und Angewandte Chemie (IUPAC) die Verwendung des Daltons als alternative Bezeichnung für die atomare Masseneinheit, allerdings mit dem Vorbehalt, dass die CGPM ihre Zustimmung noch nicht erteilt hatte. ^{[ 70 ]} Diese Zustimmung wurde inzwischen erteilt. ^{[ 71 ]} Nach dem Vorschlag, das Mol durch Festlegung des Wertes der Avogadro-Konstante neu zu definieren, schlug Brian Leonard von der Universität Akron in der Fachzeitschrift Metrologia vor, das Dalton (Da) so neu zu definieren, dass N_{_A} = (g/Da) mol^⁻¹ gilt. Die atomare Masseneinheit ( mu ) sollte jedoch ihre bisherige Definition basierend auf der Masse von ^¹² C beibehalten und somit nicht mehr exakt dem Dalton entsprechen. Dies hätte zur Folge, dass sich Dalton und atomare Masseneinheit potenziell mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von 10^⁻¹⁰ unterscheiden könnten . ^{[ 72 ]} Die 9. SI-Broschüre definiert jedoch sowohl das Dalton (Da) als auch die atomare Masseneinheit (u) genau als ⁠1/12der Masse eines freien Kohlenstoff-12-Atoms und nicht in Bezug auf das Kilogramm, ^{[ 4 ]} mit der Folge, dass die obige Gleichung ungenau ist.

Unterschiedliche Temperaturbereiche erfordern unterschiedliche Messmethoden. Raumtemperatur lässt sich durch die Ausdehnung und Kontraktion einer Flüssigkeit in einem Thermometer messen, hohe Temperaturen hingegen werden häufig mit der Farbe der Schwarzkörperstrahlung in Verbindung gebracht. Wojciech T. Chyla argumentierte in einem Artikel im Journal der Polnischen Physikalischen Gesellschaft , der die Struktur des SI-Systems aus philosophischer Sicht beleuchtete, dass Temperatur keine reale Basiseinheit, sondern ein Mittelwert der thermischen Energien der einzelnen Teilchen des betreffenden Körpers sei. ^{[ 45 ]} Er merkte an, dass in vielen theoretischen Arbeiten die Temperatur durch die Größen Θ oder β dargestellt wird , wobei

$${\displaystyle \Theta =kT;\quad \beta ={\frac {1}{kT}}}$$

und k ist die Boltzmann-Konstante. Chyla räumte jedoch ein, dass in der makroskopischen Welt die Temperatur die Rolle einer Basiseinheit spielt, da ein Großteil der thermodynamischen Theorie auf der Temperatur basiert. ^{[ 45 ]}

Das Beratungskomitee für Thermometrie , ein Teil des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht , veröffentlicht eine 1990 aktualisierte „ Mise en pratique “ (praktische Technik) zur Temperaturmessung. Bei sehr niedrigen und sehr hohen Temperaturen stellt es häufig über die Boltzmann-Konstante einen Zusammenhang zwischen Energie und Temperatur her. ^{[ 73 ] [ 74 ]}

Foster argumentierte, dass die Lichtstärke (die Candela) keine physikalische , sondern eine photobiologische Größe sei, die in der menschlichen Wahrnehmung existiere, und stellte damit die Frage, ob die Candela als Basiseinheit dienen solle. ^{[ 61 ]} Bereits vor der Entscheidung von 1979, photometrische Einheiten anhand des Lichtstroms (der Leistung) anstatt der Lichtstärke von Standardlichtquellen zu definieren, bestanden Zweifel daran, ob es überhaupt noch eine separate Basiseinheit für die Photometrie geben sollte. Darüber hinaus herrschte Einigkeit darüber, dass das Lumen nun fundamentaler sei als die Candela. Aus Gründen der Kontinuität wurde die Candela jedoch als Basiseinheit beibehalten. ^{[ 75 ]}

• Internationales Einheitensystem  – Moderne Form des metrischen Systems
• Internationales Vokabular der Metrologie  – Projekt zur Entwicklung einer gemeinsamen Sprache und Terminologie in der Messwissenschaft.
• Physikalische Konstante  – Universelle und unveränderliche physikalische Größe
• SI-Basiseinheit  – Eine der sieben Maßeinheiten, die das metrische System definieren.
• Definitionen der SI-Basiseinheiten 2005–2019
• Nicht-SI-Einheiten, die im SI  – der modernen Form des metrischen Systems Seiten mit Kurzbeschreibungen der Weiterleitungsziele– erwähnt werden – Änderungen im Zusammenhang mit der Neudefinition von 2019

• Internationales Einheitensystem (9. Auflage), Internationales Büro für Maße und Gewichte, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0
• Internationales Büro für Maß und Gewicht (BIPM) (10. August 2017). „Eingangsdaten für die Sonderanpassung CODATA-2017“ . Metrologia (Aktualisierte Ausgabe) . Abgerufen am 14. August 2017 .

• BIPM-Website zur neuen SI , einschließlich einer Seite mit häufig gestellten Fragen (FAQ) .
• Ein Wendepunkt für die Menschheit: Die Neudefinition des weltweiten Messsystems durch das NIST
• Die Messung der Masse: Das letzte Artefakt – BBC Four