Siedem jednostek podstawowych

Sekunda (s)czas

Sekundę wyznacza częstotliwość określonego przejścia w atomie cezu 133: jedna sekunda to dokładnie 9 192 631 770 jego cykli.

Δν_Cs = 9 192 631 770 Hz

To najstarsza z dzisiejszych definicji: sekunda jest związana z cezem od 13. Generalnej Konferencji Miar w latach 1967–1968. Zegary atomowe działające na tej zasadzie odmierzają czas na całym świecie, a BIPM łączy ich wskazania w uniwersalny czas koordynowany (UTC).

W praktyce sekundę odtwarzają cezowe zegary fontannowe w krajowych instytutach metrologicznych. Jeszcze lepsze stały się zegary optyczne, które liczą znacznie szybsze drgania światła: niektóre osiągają niepewności około stu razy mniejsze niż fontanny cezowe. Dlatego trwają prace nad nową definicją sekundy: w 2026 roku Generalna Konferencja poprosiła o przygotowanie propozycji na swoje następne posiedzenie, w 2030 roku. Zegary cezowe pozostaną w użyciu jako wzorce wtórne, a w codziennym odmierzaniu czasu nic się nie zmieni.

Metr (m)długość

Prędkość światła w próżni ma ustaloną, dokładną wartość. Metr to odległość, jaką światło pokonuje w czasie 1/299 792 458 sekundy.

c = 299 792 458 m/s

Światło wyznacza metr od 1983 roku. Wcześniej metr narodził się w 1799 roku jako ułamek południka ziemskiego, a od 1889 roku był długością metalowego wzorca przechowywanego w BIPM. Całą historię opisujemy na stronie Historia.

W praktyce laboratoria odtwarzają metr za pomocą laserów o bardzo dokładnie znanej częstotliwości. CIPM prowadzi listę takich częstotliwości wzorcowych; jest na niej na przykład linia w pobliżu 633 nm, używana do stabilizacji laserów helowo-neonowych. Znana częstotliwość i ustalona prędkość światła dają długość fali, a długości fal są tym, czym interferometry mierzą odległości.

Kilogram (kg)masa

Kilogram jest zdefiniowany przez ustalenie wartości stałej Plancka. Razem z sekundą i metrem ta stała jednoznacznie wyznacza kilogram.

h = 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J s

Od 1889 do 2019 roku kilogram był masą jednego przedmiotu: międzynarodowego prototypu kilograma, przechowywanego w BIPM. Wartość h dobrano tak, by w chwili zmiany kilogram pozostał taki sam.

Dziś kilogram odtwarzają dwa zupełnie różne doświadczenia. Waga Kibble’a równoważy ciężar masy siłą elektromagnetyczną i porównuje moc elektryczną z mechaniczną, a łączy je stała Plancka. Metoda rentgenowskiej gęstości kryształu liczy natomiast atomy: objętość i odległości w sieci krystalicznej niemal idealnej kuli z krzemu 28 dają liczbę jej atomów, a z niej masę.

Laboratoria prowadzące takie doświadczenia porównują wyniki w porównaniach kluczowych organizowanych przez BIPM, które samo również ma wagę Kibble’a. Dopóki realizacje nie zgadzają się wystarczająco dobrze, kilogram przekazuje się światu od uzgodnionej wartości konsensusowej.

Amper (A)natężenie prądu

Ładunek pojedynczego protonu (ładunek elementarny) ma ustaloną, dokładną wartość. Amper to przepływ określonej liczby takich ładunków w ciągu sekundy.

e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C

Dawna definicja opierała się na sile magnetycznej między przewodami z prądem, co w praktyce ustalało stałą magnetyczną μ₀. Od 2019 roku μ₀ się mierzy. Prawie nikt nie odczuł zmiany; na samym szczycie metrologii elektrycznej wolt przesunął się o około 0,1 części na milion.

Kelwin (K)temperatura

Stała Boltzmanna łączy temperaturę z energią. Ustalenie jej wartości definiuje kelwin.

k = 1,380 649 × 10⁻²³ J/K

Do 2019 roku kelwin był związany z jedną właściwością jednej substancji: punkt potrójny wody miał dokładnie 273,16 K. Dziś ta temperatura jest wartością mierzoną, z niewielką niepewnością. Codziennych termometrów to nie zmieniło, ale otwiera drogę do dokładniejszych pomiarów w bardzo niskich i bardzo wysokich temperaturach.

Mol (mol)liczność materii

Mol to po prostu liczba: dokładnie 6,022 140 76 × 10²³ obiektów elementarnych, na przykład atomów albo cząsteczek.

N_A = 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹

Mol stał się jednostką podstawową w 1971 roku. Do 2019 roku definiowano go przez masę, jako liczbę atomów w 0,012 kg węgla 12, więc zależał od kilograma. Teraz już nie zależy. Masy atomowe i codzienna praktyka chemików pozostały bez zmian.

Kandela (cd)światłość

Kandelę wyznacza skuteczność świetlna zielonego światła o częstotliwości 540 × 10¹² Hz, czyli barwy, na którą ludzkie oko jest w dzień najbardziej czułe.

K_cd = 683 lm/W

Ta definicja pochodzi z 1979 roku i przeszła do nowego SI bez zmian. Kandela jest jedyną jednostką podstawową, która mierzy coś przez pryzmat ludzkiego oka, dlatego jej stała jest stałą techniczną, a nie stałą fizyki.