Warum haben wir unsere SI-Einheiten nicht durch ein besseres System ersetzt? [geschlossen]

Einleitung

Mir scheint, dass die heute verwendeten SI-Einheiten nichts als das Ergebnis eines historischen „Zufalls“ sind.

Seit kurzem forsche ich über natürliche (absolute) Einheitensysteme, die so definiert sind, dass ausgewählte universelle physikalische Konstanten auf eins normiert werden. Diese sind sehr praktisch, da fast alle Gleichungen in der Physik vereinfacht sind.

Planck-Einheiten

Nehmen Sie zum Beispiel die Planck-Einheiten, bei denen fünf fundamentale physikalische Konstanten den Zahlenwert 1 annehmen.

Um aus Wikipedia zu zitieren:

Planck-Einheiten haben eine tiefgreifende Bedeutung, da sie mehrere wiederkehrende algebraische Ausdrücke physikalischer Gesetze elegant durch Nichtdimensionalisierung vereinfachen. Sie sind besonders relevant in der Forschung zu vereinheitlichten Theorien.

Planck-Einheiten werden sogar als „Gottes-Einheiten“ bezeichnet, da Planck-Einheiten frei von anthropozentrischer Willkür sind.

Rechtfertigung

Ich weiß, dass viele „alltägliche“ Größen für einen Physiker in Planck-Einheiten sehr kleine Zahlen wären (zum Beispiel), aber das sollte kein Problem sein, wenn wir die wissenschaftliche Notation verwenden. Tatsächlich ist es eine großartige Sache, da es uns ein besseres Bild davon geben kann, dass diese Größen jetzt in einem Einheitensystem sind, das konzeptionell auf einer grundlegenden physikalischen Ebene verbunden ist. Außerdem werden viele solcher „alltäglichen“ Größen auch durch sehr kleine / sehr große Zahlen in SI-Einheiten ausgedrückt. Denken Sie an die Plancksche Konstante.

Frank Wilczek argumentiert sogar, dass die Verwendung von Planck-Einheiten uns helfen würde, wichtige Fragen in der Physik neu zu formulieren:

Wir sehen, dass die Frage nicht lautet: "Warum ist die Schwerkraft so schwach?" sondern "Warum ist die Masse des Protons so klein?" Denn in [Planck]-Einheiten ist die Stärke der Schwerkraft einfach das, was sie ist, eine primäre Größe, während die Masse des Protons die winzige Zahl [1/(13 Quintillion)] ist.

AI ist sich bewusst, dass es ein großer Umbruch wäre, wenn wir unsere SI-Einheiten ändern würden, aber wenn es getan werden soll, sollte es besser jetzt getan werden, bevor mehr Physiker mit dem alten Einheitensystem aufwachsen. Die Änderung wird wahrscheinlich altes schriftliches Material nicht unbrauchbar machen, da beispielsweise Newtons Principia Mathematica ein grundlegender Text in der Mechanik bleibt, obwohl er veraltete Begriffe wie "Bewegungsmenge" und "Materiemenge" verwendet.

Frage

Gibt es angesichts all dessen, was ich erklärt habe, einen Grund, warum wir uns dafür entscheiden, beim alten und müden Einheitensystem zu bleiben?

Warum haben wir das Kilogramm, definiert durch einen willkürlichen französischen Stab, nicht den Damen überlassen, die über Kim Kardashians Gewicht lästern, und etwas gewählt, das wissenschaftlich sinnvoller ist?

Welchen Sinn hat es, meine Masse als zu bezeichnen 3215862471.3444 M P l statt 70 kg?
Bitte lesen Sie meine Frage vollständig, einschließlich der letzten Zeile. Ich schlage dies vor, um das Studium der Physik zu verbreiten, nachdem ich den „Sinn“ davon klar umrissen habe.
Wo wir gerade dabei sind, warum ersetzen wir nicht das Dezimalsystem durch das Binärsystem? Das Digitale kam, weil wir 10 Finger haben. Überlegen Sie, wie Sie einem Kind das Zählen beibringen würden; Das Zählen mit den Fingern war natürlich und wahrscheinlich in unserer DNA :)
Richtig, Physiker in den verschiedenen Teilgebieten haben unterschiedliche Einheitensysteme, die für sie funktionieren . Ich verwende cgs b/c. Ich bin Astronom, andere verwenden möglicherweise SI, wieder andere verwenden imperiale Einheiten. Alle auf ein Einheitensystem zu beschränken scheint zwecklos, weil es nicht praktikabel ist.
Auch Physiker fangen als Kinder an, sich zu Doktoranden zu entwickeln, und da haben wir bereits c=1 usw., aber wir haben ein intuitives Verständnis für Einheiten von denen, die natürlich kamen
@annav Ich meine meine Frage ernst. Das Ersetzen des Dezimalsystems würde keinen der von mir vorgeschlagenen Vorteile bringen. Und wenn Sie argumentieren, dass ich versuche, das Einheitensystem zu „einschränken“, denken Sie daran, dass die aktuellen SI-Einheiten auch eine „Einschränkung“ sind, wie Sie sagen, wenn auch eine sehr willkürliche
Aber diese fünf fundamentalen physikalischen Konstanten sind durch eine endliche Genauigkeit definiert. Die Definition von Einheiten als einmal eine solche Konstante würde also zu Unsicherheiten in den Einheiten führen. Und könnte sogar bedeuten, dass sich die Einheiten im Laufe der Zeit ändern müssen, wenn Konstanten genauer definiert werden.
@fibonatic Endlich ein Kommentar, der meine Frage tatsächlich beantwortet. Das ist ein guter Punkt, der es wert ist, genauer untersucht zu werden.
Ich denke, dass Ihr Vorschlag ignoriert, dass eine sehr kleine Anzahl von Studenten, die in Physikkursen studieren, theoretische Physiker werden, der Rest wird anderen Disziplinen folgen, in denen die SI-Einheiten in Ordnung sind, außer ich stimme zu, dass eine stabilere Definition des Kilogramms gefunden werden sollte .
@fibonatic Die physikalischen Konstanten haben perfekte Präzision. Unserer Fähigkeit, etwas mit ihnen zu vergleichen (dh sie zu messen), fehlt es an Präzision. Dies gilt jedoch für jedes Einheitensystem.
Wenn das Wechseln der Einheiten so einfach wäre, wären imperiale Einheiten bereits gestorben.
Soweit ich das beurteilen kann, haben wir auf natürliche Einheiten umgestellt. Ich persönlich verwende Planck-Einheiten jeden Tag in meiner Forschung. Ich benutze nie Metrik. Aber Sie geben zu, dass das metrische System für den Laien nützlich ist. Dann wird es ein Problem der Kindheit. Das metrische System ist insofern sehr nützlich, als seine Einheiten alltagsrelevante Größen darstellen. 1 Sekunde, 1 Meter, 1 Kilogramm. Dies sind alles nützliche und zuordenbare Skalen. Da wir nicht sagen können, welches Kind ein Wissenschaftler wird, wird ihnen allen das zu der Zeit nützlichere metrische System beigebracht. Das wird einfach zum Standard und dringt in eine wissenschaftliche Karriere ein
SI ist der Standard, weil es für mehr als 99 % der Bevölkerung nützlicher ist als Planck-Einheiten. Und bis ein Einheitensystem für die Mehrheit der Gesellschaft nützlicher wird als das metrische System, wird es SI bleiben. Wir können nicht einfach das System wechseln, weil eine kleine Gruppe ein anderes System nützlicher findet. Kyle Kanos hat Recht. 70 kg ist viel einfacher. Das Standardsystem muss am einfachsten zu bedienen sein und die breiteste Anwendbarkeit haben.
Die NASA hat einen Mann mit Fuß und Seemeilen, Pfund Schub und unzähligen anderen Einheiten, die einen erschaudern lassen, auf den Mond gebracht. Frieden.
@fibonatic Wir haben das neue SI, das am 20. Mai 2019 in Kraft tritt, mit genauen Werten für diese Konstanten!

Antworten (3)

Die kurze Antwort lautet, dass es einfach nicht möglich ist, ein Einheitssystem zu entwerfen, das für alle passt. Die erstaunlich große Bandbreite an Massen-, Zeit- und Längenskalen, die im Universum vorkommen, verhindert dies. Das von Ihnen erwähnte Planck-Einheitensystem ist hauptsächlich für Menschen nützlich, die niemals eine experimentelle Apparatur berühren. Die überwiegende Mehrheit der Wissenschaftler und Ingenieure betreibt nicht einmal Physik, geschweige denn theoretische Quanten- oder kosmologische Physik, und benötigt ein einheitliches Einheitensystem, das die Größenordnung der Größen widerspiegelt, die am ehesten in ihrer täglichen Arbeit anzutreffen sind.

Daher verwenden professionelle Physiker das Einheitensystem, das für das vorliegende Problem am bequemsten ist. Es besteht keine Gefahr, dass "immer mehr Physiker mit dem alten Einheitensystem aufwachsen" , als ob das den Menschen irgendwie das Verständnis vernebeln würde. Je mehr redundante und bizarre Einheitensysteme den angehenden Physikern ausgesetzt sind, desto besser. Dies lehrt Sie, zwischen diesen Systemen fließend zu konvertieren, und hilft Ihnen, mit Menschen aus verschiedenen Teilbereichen zu kommunizieren.

Gut durchdachte Antwort. Tatsächlich gibt es keine einheitliche Einheit, und Wissenschaftler, die bestimmte Einheiten nicht gerne verwenden, sollten nicht dazu gezwungen werden. Aber ich spreche von der Idee der "SI-Einheiten". Denken Sie nicht, dass unsere SI-Einheiten in Bezug auf Naturphänomene definiert werden sollten, anstatt beispielsweise ein Platin-Iridium-Stab, der eines Tages zerstört werden könnte und wir kein „Kilogramm“ mehr hätten?
@hb20007 Das tue ich in der Tat. Ich glaube, dass das Kilogramm die einzige verbleibende SI-Einheit ist, die so willkürlich definiert ist. Beispielsweise wird die Sekunde in Bezug auf die natürliche Frequenz eines atomaren Übergangs definiert, und der Meter wird in Bezug auf die Entfernung definiert, die das Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Eine Reihe von Wissenschaftlern, wie Peter Knight , setzen sich ziemlich energisch dafür ein, dass auch die Definition von Masse geändert werden sollte; Ich gehe davon aus, dass sie letztendlich erfolgreich sein werden.
Da fallen mir zwei eng verwandte Einheiten ein, die in der Chemie häufig verwendet werden, das Joule und die Kalorie (1 cal = 4,184 J). Viele Physiker verwenden wahrscheinlich keine Kalorie, aber sie ist sehr einfach zu definieren. Es ist die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 g Wasser um 1 Grad (Celsius) zu erwärmen. Chemiker verwenden es, da sie wissen möchten, wie viel Energie bei einer Reaktion freigesetzt (oder benötigt) wird und die Änderung der Wassertemperatur praktisch war. Ein Joule ist definiert als die Arbeit, die durch die Bewegung einer Masse verrichtet wird. Wirklich nicht dasselbe.
@LDC3 Ja, eigentlich hatte ich ein anderes Beispiel im Sinn, aber im gleichen Sinne. In der Atomphysik wird Hz oft verwendet, um Energie zu messen, weil es Ihnen sofort etwas über die typischen Zeitskalen der (oftmals stark ungleichgewichtigen) Phänomene und die Lichtfrequenzen sagt, die verwendet werden könnten, um sie zu untersuchen. Aber Teilchenphysiker scheinen Masseneinheiten viel nützlicher für Energie zu finden, vermutlich, da sie angeben, welche Arten von Teilchen Sie erwarten können, an dem Prozess teilzunehmen. Eine physikalische Größe für beide Situationen, aber mit unterschiedlicher Bedeutung und daher unterschiedlichen Einheiten.
@MarkMitchison Die Neudefinition der kg befindet sich bereits im Entwurfsstadium (durch die zuständige Behörde). Siehe meine Antwort.

Update: Benutzer, der kein Benutzer ist, kommentiert, dass das neue SI ab nächster Woche, dem 20. Mai 2019, fünf Jahre nach der Veröffentlichung dieser Antwort, verwendet wird.

Ein Vorschlag zur Überarbeitung des SI wird bereits ausgearbeitet (während wir hier sprechen). Es scheint, dass der „willkürliche französische Stab“, auch bekannt als internationales Prototypkilogramm (IPK), bereits auf dem Weg nach draußen ist. BIPMs „On the possible future revision of the SI“ enthält einige Einzelheiten. (Das BIPM ist kein obskurer Club, sondern das Internationale Büro für Maß und Gewicht . Sie haben auch das IPK in ihrem Keller.)

Im „Neuen SI“ werden vier der SI-Basiseinheiten, nämlich das Kilogramm, das Ampere, das Kelvin und das Mol, naturinvariant neu definiert; die neuen Definitionen basieren auf festen Zahlenwerten der Planck-Konstante ( H ), die Elementarladung ( e ), die Boltzmann-Konstante ( k ) und die Avogadro-Konstante ( N A ), bzw. Darüber hinaus werden die Definitionen aller sieben Basiseinheiten des SI ebenfalls einheitlich ausgedrückt, indem die explizit-konstante Formulierung verwendet wird , und es werden spezifische Mises en pratique erstellt, um die Umsetzung der Definitionen jeder der Basiseinheiten auf praktische Weise zu erläutern .

Das Kilogramm wird wie folgt behandelt. (Dies ist ein Entwurf vom 16. Dezember 2013. )

Das Kilogramm, Symbol kg , ist die SI-Einheit der Masse; seine Größe wird durch genaues Festlegen des Zahlenwerts der Planck-Konstante eingestellt 6.626   069   57 × 10 − 34 wenn es in der SI-Einheit für Aktion ausgedrückt wird Js = kg m 2  S − 1 .

So wird das Neue SI in Bezug auf sieben definierende Konstanten aussehen (wieder: Entwurf).

Das internationale Einheitensystem, das SI, ist das Einheitensystem, in dem

die ungestörte Hyperfeinaufspaltungsfrequenz des Cäsium-133-Atoms im Grundzustand Δ v ( 133 Cs ) hfs ist genau 9   192   631   770 Hertz,

Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C ist genau 299   792   458 Meter pro Sekunde,

die Planck-Konstante H ist genau 6.626   069   57 × 10 − 34 Joule Sekunde,

die Elementarladung e ist genau 1.602   176   565 × 10 − 19 Coulomb,

die Boltzmann-Konstante k ist genau 1.380   648   8 × 10 − 23 Joule pro Kelvin,

die Avogadro-Konstante N A ist genau 6.022   141   29 × 10 23 reziproker Maulwurf,

die Lichtausbeute K CD von monochromatischer Strahlung der Frequenz 540 × 10 12 Hertz ist genau 683 Lumen pro Watt,

wo Hertz, Joule, Coulomb, Lumen und Watt, mit Einheitensymbolen Hertz , J , C , lm , Und W beziehen sich jeweils auf die Einheiten Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela mit Einheitensymbolen S , M , kg , A , K , mol , Und CD , entsprechend den Relationen Hertz = S – 1 (für periodische Phänomene), J = kg m 2  S – 2 , C = Als , lm = cd sr , Und W = kg m 2  S – 3 . Der Steradiant, Symbol sr , ist die SI-Einheit des Raumwinkels und ist ein spezieller Name und Symbol für die Zahl 1 , so dass sr = M 2  M − 2 = 1 .

Beachten Sie, dass alle genau sind.

Beispiel 1. Was bedeutet das für einen Zähler?

M = 9   192   631   770 299   792   458 C Δ v ( 133 Cs ) hfs

Beispiel 2. Kyle Kanos hat eine Masse von 70  kg im aktuellen SI. Wenn er sicherstellen möchte, dass er nach der Annahme dieses neuen SI die "gleiche" Masse hat, muss er sicherstellen, dass seine Masse so bleibt

70 ⋅ 1.475   521 … × 10 40 H   Δ v ( 133 Cs ) hfs C 2 = 70  kg .

Er kann links oder rechts wählen. Sie sind in der Neuen SI genau gleich. (Der … spiegelt die numerische Rundung eines Quotienten wider, nicht einen Messfehler oder eine Unsicherheit.)

Das BIPM hat hier einige FAQs zum neuen SI .

Sie wollen also eine Masse definieren, indem sie eine Menge mit 2 anderen Einheiten mit Genauigkeitsfehlern verwenden. Ich denke, ich würde lieber mit einer definierten Anzahl von monoisotopischen Atomen gehen.
@ LDC3 Ich denke nicht. Ich denke, dass das neue SI so sein wird, dass die Konstanten feste Zahlen ohne Genauigkeitsfehler sind. Ich denke, das ist der springende Punkt. Der numerische Wert der Planck-Konstante wird sein 6.626   069   57 × 10 − 34 , Exakt.
Ein Meter ist definiert als die in einer bestimmten Zeit zurückgelegte Strecke. Die zweite wird durch die Anzahl der Wellenlängen einer bestimmten Frequenz definiert. Beide werden bei der Berechnung der Masse aus der Planckschen Konstante verwendet. Dies sind keine festen Nummern.
@LDC3 Ich verstehe dich nicht ganz. Es sind feste Nummern.
@GlenTheUdderboat Dies scheint zum Nennwert das Beste aus beiden Ideen zu machen. Es verwendet vertraute Einheiten, definiert sie aber auch besser und absoluter. Interessant.
Die Plank-Konstante kann fest sein, aber die Sekunde und der Meter werden gemessen. Sie müssen verwendet werden, um zu bestimmen, was ein Gramm (oder kg) ist. Es gibt also eine feste Zahl und 2 Zahlen mit Genauigkeitsfehlern.
@LDC3 Ich habe die anderen numerisch festgelegten Konstanten des neuen SI in meine Antwort aufgenommen. Ich hoffe, das klärt es auf.
Ich sehe die Konstante für einen Meter nicht. Hast du das verpasst?
@LDC3 Sie können ableiten M = 9   192   631   770 299   792   458 C Δ v ( 133 Cs ) hfs .
Genau das, was ich gesagt habe, es wird gemessen und es gibt einen Fehler in der Messung.
@LDC3 Im neuen SI werden sie nicht mehr gemessen. Sie sind definiert. In der Tat, C wurde bereits in SI definiert. Hat es Sie nie überrascht, dass die Lichtgeschwindigkeit ganzzahlig ist?
@GlenTheUdderboat es scheint, als hätten Sie drei wichtige negative Zeichen im Exponenten für die Werte von verpasst H , e , Und k .
@Abhinav Danke! Irgendwas muss beim Copy-Paste schief gelaufen sein. Behoben.
2019 ist da und damit auch die New SI in einer Woche (20. Mai 2019)!
Eine Gelegenheit wurde wirklich verpasst, als sie beschlossen, c nicht als 300.000.000 m/s anstelle von 299 792 458 zu definieren, um den alten Meterstab anzupassen, obwohl ich verstehe, warum. Der Zoll wurde auf 25,4 mm neu definiert, was eine ähnliche Verschiebung mit einer neuen Definition relativ zum historischen Wert darstellte.

Denn gut, dass wir in der Physik die gleichen Einheiten verwenden wie im Alltag (zumindest außerhalb einer Handvoll Länder, die namenlos bleiben sollen). Es macht die Dinge einfacher zu erklären, einfacher zu messen. Es erleichtert es, im Kopf zu prüfen, ob das Ergebnis eines Experiments Sinn macht.

Sie werden niemals die ganze Welt dazu bringen, auf Planck-Einheiten umzusteigen, da die SI-Einheiten so konzipiert sind, dass sie sich auf Größen beziehen, denen wir täglich begegnen. Ein Meter entspricht etwa der halben Körpergröße eines Menschen; ein Kilogramm kann leicht gehoben werden und ist eine gute Maßeinheit für Dinge wie Lebensmittel; Sekunden, Minuten und Stunden unterteilen den Tag in überschaubare Abschnitte.

Angenommen, Sie verwenden die Planck-Länge anstelle des Meters. Wenn Sie Kinder haben, werden sie sich wahrscheinlich hin und wieder selbst messen wollen. Wirst du ihnen sagen, dass sie es sind 10 35 Plancks groß? Oder würden Sie eher sagen, dass sie vor ein paar Jahren einen halben Meter groß waren und jetzt einen Meter groß sind? Das ist natürlich nur ein Beispiel aus dem Kopf.

Die Moral hier ist, dass SI-Einheiten einfache Zahlen zulassen. Sie müssen sich beispielsweise nur die Präfixe Milli- und Kilo- merken, um über Entfernungen zu sprechen, die so klein sind wie etwas, das Sie kaum sehen können, oder so groß wie die Größe der Erde, wobei Sie nicht mehr als etwa vier Ziffern verwenden. Dies ist mit Planck/natürlichen/was auch immer Einheiten einfach nicht möglich.

Es gibt natürlich eine Einschränkung: Theoretische Physik. Dies ist der einzige Ort unter all den Dingen, die jeder auf der Welt tut, von denen die überwiegende Mehrheit nicht Physik ist, wo die Eleganz der Gleichungen wichtig ist, wie Ihr Zitat über die Schwerkraft sagt. Aber darüber hinaus, in allen anderen Teilgebieten der Physik, sowie für den Alltag, sind Ihre vorgeschlagenen Einheiten bestenfalls nutzlos.

Tatsächlich sind selbst in den meisten Teilgebieten der theoretischen Physik Planck-Einheiten nicht sehr nützlich!
@JavierBadia Gute Antwort, die zeigt, dass Sie die ganze Frage gelesen haben. Auch wenn ich die Verwendung absoluter Einheiten für nichtwissenschaftliche Zwecke wie das Messen der Körpergröße Ihrer Kinder nicht befürworte, stimme ich der Idee zu, dass es eine gute Sache ist, Einheiten zu haben, die auf intuitiver Ebene leicht zu verstehen sind.
Vermutlich bräuchten wir mehr SI-Präfixe, und Sie würden ihnen sagen, dass sie 100 Squiggaplancks groß sind ;-) Es ist nicht so, dass die Leute mit dem Wissen geboren werden , was "Kilo-" bedeutet, sie wissen es, sobald sie wissen, was ein Gramm ist und was ein Kilogramm ist. Ebenso schaffen Kinder "cm" im Allgemeinen schon in einem ziemlich frühen Alter. Natürlich werden sie die Zahl, die ein Squigga darstellt, nicht wirklich erahnen, so wie sie bis 100 zählen können, und entweder daran denken, bis 1000 zu zählen, oder eine halbe Stunde damit verbringen, es tatsächlich zu tun. Aber sie werden wissen, wie weit ein Squiggaplanck ist, kein Problem.
@Steve: Wenn die Leute sich merken, was ein Squiggaplanck ist, warum nennen wir es nicht einfach ein Messgerät?
Nur wegen der Prämisse der Frage, dass die Verwendung natürlicher Einheiten eine gewisse Tugend hat. Wenn die Leute sich merken, was ein cm ist, warum nennen wir es nicht Gerstenkorn? Nur weil SI uns nicht lässt!
Warum haben wir unsere SI-Einheiten nicht durch ein besseres System ersetzt? [geschlossen]
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