Geschichte der Grundgrößen in der Physik

Grundlegende Größen in der Physik
Grundlegende Größen in der Physik

Mit unserem wachsenden Verständnis fundamentaler Konstanten wird das System zur Definition physikalischer Messgrößen, die üblicherweise für den internationalen Handel, die Wirtschaft und die Wissenschaft verwendet werden, überarbeitet.

Das metrische System wurde während der Französischen Revolution entwickelt und ist der Beginn des aktuellen Internationalen Einheitensystems (SI, Système International d'Unités auf Französisch). Die aktuelle SI wurde offiziell im Jahr 1960 gegründet.

Das neue System von Gewichten und Maßen folgte einem vor einem Jahrhundert von John Wilkins gemachten Vorschlag, das Meter als grundlegende Maßeinheit zur Bestimmung von Länge, Volumen und Masse zu verwenden.

Das Messgerät ist von einer natürlichen Konstante inspiriert, die existiert: ein Zehnmillionstel des Meridians, der vom Nordpol bis zum Äquator durch Paris verläuft.

Nach der Definition der Volumen- und Masseeinheiten wurde das Kilogramm als die Masse von einem Liter destilliertem Wasser bei 4 °C definiert. Die beiden auf diesen Definitionen basierenden Werkstandards aus Platin für Länge und Masse wurden später 1799 in den Pariser Archives de la République hinterlegt. Nach den Worten des Marquis de Condorcet wurde ein völlig neues Maßsystem „für alle Zeiten und alle Völker“ geschaffen.

Drei internationale Organisationen, die General Conference on Weights and Measures (CGPM), das International Committee on Weights and Measures (CIPM) und das International Bureau of Weights and Measures wurden 76 Jahre nach der Unterzeichnung der Meterkonvention (BIPM) gegründet. Sie sind technisch mit dem Schutz des SI beauftragt und tun dies auch weiterhin.

Das Internationale Einheitensystem (SI) ist ein lebendiges, dynamisches System, das sich an neue Informations- und Messanforderungen anpasst, aber im Vergleich zum enormen Tempo des wissenschaftlichen Fortschritts manchmal langsam ist. Zum Beispiel entdeckten Naturphilosophen und Wissenschaftler im 18. und 19. Jahrhundert, dass sie neue Maßeinheiten benötigten, als sie versuchten, das System von Länge, Masse und Zeit (durch astronomische Beobachtungen definierte Zeit) zu verwenden, um neu entdeckte Phänomene wie zu messen Magnetismus und Elektrizität sowie das Konzept der Energie.

Pioniere der neuen Wissenschaft wie Carl Friedrich Gauß, Wilhelm Weber, James Clerk Maxwell und Lord Kelvin trugen zur Erweiterung des Systems bei und halfen, die theoretische Grundlage für ein kohärentes System mit grundlegenden mechanischen Einheiten zu schaffen, aus denen abgeleitete Einheiten abgeleitet werden konnten wenn benötigt.

Die kohärenten abgeleiteten Einheiten waren Produkte der Potenzen von 1 der Basiseinheiten mit einem Vorfaktor, und das System lieferte detaillierte Erklärungen, wie die Basiseinheiten durch Messung instanziiert werden.

SI-Einheiten
Abbildung 1 zeigt die Entwicklung des SI. Eine kurze Zeitleiste der Entwicklung des SI seit John Wilkins' Aufsatz von 1668 wurde auf einen Meterstab skaliert. Das Bild zeigt eine marmorne Ein-Meter-Standarte aus dem 18. Jahrhundert, die in Paris gefunden wurde. (Bild mit freundlicher Genehmigung von LPLT über Wikimedia Commons.)

Die Chronologie in Abbildung 1 zeigt, dass das SI trotz vieler Überarbeitungen immer noch diesen Kernsatz von Einheiten enthält, einschließlich 7 Basiseinheiten (und zugehöriger Definitionen für ihre Implementierung) plus 22 abgeleitete Einheiten mit eindeutigen Namen und Symbolen. Es besteht jedoch ein wachsender internationaler Konsens, das SI wieder so zu entwickeln, dass es das moderne Verständnis der physischen Welt widerspiegelt. Anstatt sieben Basiseinheiten und konsequent abgeleitete Einheiten zu definieren, wird der vorgeschlagene Rahmen für zukünftige SI von genauen Werten für die sieben fundamentalen Naturkonstanten ausgehen, gegen die alle SI-Einheiten realisiert werden. Die Grundeinheiten und ihre Bedeutung werden nicht mehr verwendet.

Erstellen eines Einheitensystems

Alle physikalischen Größen und die diese Größen verbindenden Gleichungen, d. h. akzeptierte Prinzipien der Physik, müssen berücksichtigt werden, wenn ein Einheitensystem entwickelt wird, um alle physikalischen Messungen auszudrücken.

Newtons 2. Gesetz
Newtons 2. Gesetz

Dies ist ein einfaches Beispiel für eine Beziehung; wobei F Kraft, m Masse, Beschleunigung a, Geschwindigkeit v, Länge x und Zeit t alles Größen sind und die Beziehungen das zweite Newtonsche Bewegungsgesetz und die fundamentale Dynamik sind.

Durch sorgfältige Auswahl einer Teilmenge der unabhängigen fundamentalen Größen können akzeptierte Prinzipien der Physik verwendet werden, um andere Werte als Funktionen der ausgewählten Teilmenge abzuleiten.

Die wesentlichen Mengen können zwar vielfältig gewählt werden, sollten aber alle umfassend und nicht überflüssig sein. Wenn zum Beispiel alles, was wir über die physikalische Welt wissen, Gleichung 1 (sechs Größen, drei Nebenbedingungen) wäre, würde die Wahl von Kraft oder Masse und zwei der anderen fünf Größen zu einem separaten Satz von drei grundlegenden Größen führen.

Aber wir sind noch nicht fertig. Um das Einheitensystem vollständig zu beschreiben, müssen wir jeder Basisgröße eine eindeutige Bezugsgröße zuweisen.

Die Grundmenge der Masse im aktuellen SI – dem internationalen Prototyp des Kilogramms – ist ein Beispiel für solche einzigartigen Artefakte, die als Referenzgröße (IPK) dienen können. alternativ in Energieäquivalenzbeziehungen

Energiegleichung
Energiegleichung

Die Plancksche Konstante h, die Lichtgeschwindigkeit c, die Elementarteilchenladung e und die Boltzmannsche Konstante k können auch als Referenzen verwendet werden, da es sich um Invarianten mit bekannten Werten handelt.

Zeit, Länge, Masse, elektrischer Strom, thermodynamische Temperatur, Materiemenge und Lichtintensität sind die sieben grundlegenden Größen, aus denen sich das aktuelle SI zusammensetzt. Diese Definitionen dienen als besondere Bezugsgrößen. Mit anderen Worten, die Definitionen der Basiseinheiten – Sekunden, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela – sind Bezugsgrößen im aktuellen SI.

Quelle: physikheute – David Newell

David Newell ist Vorsitzender der CODATA Fundamental Constants Task Group und Physiker am National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland.

Günceleme: 27/10/2022 18:44

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