物理学における基本量の歴史

基本定数についての理解が深まったおかげで、国際貿易、ビジネス、および科学で一般的に使用される物理的尺度を定義するシステムが見直されようとしています。

メートル法はフランス革命中に開発され、現在の国際単位系 (SI、フランス語で Système International d'Unités) の始まりです。 現在の SI は 1960 年に正式に作成されました。

度量衡の新しいシステムは、XNUMX 世紀前にジョン ウィルキンスが提案した、長さ、体積、および質量を決定するための基本的な測定単位としてメートルを使用する提案に従いました。

メートルは、北極から赤道までパリを通る子午線の XNUMX 万分の XNUMX という自然定数が存在すると考えられていることから着想を得ています。

体積と質量の単位を定義した後、キログラムは 4 °C の蒸留水 1799 リットルの質量として定義されました。 これらの定義に基づく長さと質量の XNUMX つのプラチナ作業標準は、XNUMX 年にパリのレピュブリック文書館に寄託されました。 コンドルセ侯爵の言葉を借りれば、「すべての時代とすべての人々のために」まったく新しい測定システムが作成されました。

国際度量衡総会（CGPM）、国際度量衡委員会（CIPM）、国際度量衡局の 76 つの国際機関は、メートル条約（BIPM）の署名から XNUMX 年後に設立されました。 彼らは技術的に SI を保護する任務を負っており、今もそうしています。

国際単位系 (SI) は、新しい情報と測定のニーズに適応する活気に満ちた動的なシステムですが、科学の進歩の驚異的なペースに比べて遅い場合があります。 たとえば、18 世紀と 19 世紀に、自然哲学者と科学者は、長さ、質量、および時間 (天文観測によって定義される時間) のシステムを使用して、次のような新しく発見された現象を測定しようとしたときに、新しい測定単位が必要であることを発見しました。磁気と電気、そしてエネルギーの概念。

Carl Friedrich Gauss、Wilhelm Weber、James Clerk Maxwell、Lord Kelvin などの新しい科学のパイオニアは、システムの拡張に貢献し、派生単位を導き出すことができる基本的な機械単位を持つ一貫したシステムの理論的基礎を確立するのに役立ちました。必要に応じて。

コヒーレントな派生単位は、基本単位の 1 の累乗と事前係数の積であり、システムは、測定を通じて基本単位をインスタンス化する方法の詳細な説明を提供しました。

図 1 の年表は、多くの改訂にもかかわらず、7 つの基本単位 (およびそれらの実装に関連する定義) に加えて、固有の名前と記号を持つ 22 の派生単位を含む、この中核となる単位セットが SI にまだ含まれていることを示しています。 しかし、物理的世界の現代的な理解を反映するために SI を再び開発するという国際的なコンセンサスが高まっています。 XNUMX つの基本単位と一貫して派生した単位を定義するのではなく、将来の SI の提案されたフレームワークは、すべての SI 単位が実現される自然界の XNUMX つの基本定数の正確な値を想定します。 基本単位とその意味は使用されなくなりました。

単位系の作成

すべての物理量を表す単位系を開発する際には、すべての物理量とこれらの量を結び付ける方程式、つまり物理学の一般原則を考慮に入れる必要があります。

これは関係の簡単な例です。 ここで、F 力、m 質量、加速度 a、速度 v、長さ x、時間 t はすべて量であり、関係はニュートンの運動の第 XNUMX 法則と基本的な力学です。

独立した基本量のサブセットを慎重に選択することにより、受け入れられている物理学の原則を使用して、選択したサブセットの関数として他の値を推測できます。

必要な量はさまざまな方法で選択できますが、それらはすべて包括的であり、余分なものではありません。 たとえば、物理的な世界について私たちが知っているのが方程式 1 (XNUMX つの量、XNUMX つの制約) だけである場合、力または質量を選択し、他の XNUMX つの量のうち任意の XNUMX つを選択すると、XNUMX つの基本的な量の別のセットが得られます。

しかし、まだ終わりではありません。 単位系を完全に記述するには、各基本量に固有の参照量を与える必要があります。

現在の SI における質量の基本量 (キログラムの国際原型) は、基準量 (IPK) として機能するユニークなアーティファクトの例です。 あるいは、エネルギー等価関係で

プランク定数 h、光速度 c、素粒子電荷 e、およびボルツマン定数 k も、既知の値を持つ不変量であるため、参照として使用できます。

時間、長さ、質量、電流、熱力学的温度、物質の量、および光強度は、現在の SI を構成する XNUMX つの基本的な量です。 これらの定義は、特別な参照量として機能します。 つまり、基本単位の定義 (秒、メートル、キログラム、アンペア、ケルビン、モル、カンデラ) は、現在の SI における参照量です。

出典: 今日の物理学 – デビッドニューウェル

David Newell は、CODATA Fundamental Constants Task Group の議長であり、メリーランド州ゲイザースバーグにある国立標準技術研究所の物理学者です。

Günceleme: 27/10/2022 18:44