Что является базовой единицей в новой СИ и почему ампер является одной из них?

Один вопрос, который почти всегда возникает на вводных курсах по электромагнетизму, звучит так: «Почему основной единицей электрических измерений является ампер, а не кулон? », и обычный ответ заключается в том, что более точно и метрологически более полезно строить электрические измерения на основе измерений . тока, так что это то, что SI построен вокруг.

Однако ситуация изменится примерно в 2018 году, когда вступит в силу предлагаемое в настоящее время переопределение единиц СИ , по существу делающее все единицы СИ зависимыми от семи инвариантов природы. Меня озадачивает роль базовых констант в этой новой системе: что это такое и есть ли какая-либо причина, кроме исторической преемственности, чтобы вообще сохранить эту концепцию?

Чтобы быть более точным, позвольте мне сосредоточиться на роли ампера, потому что это самая безумная роль. В новой СИ ампер сохраняется как основная единица, а электрический ток сохраняется как основная величина.

Базовыми величинами, используемыми в СИ, являются время, длина, масса, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Соответствующие основные единицы SI были выбраны CGPM как секунда, метр, килограмм, ампер, кельвин, моль и кандела.

( Предлагаемый проект новой брошюры SI (pdf), §1.2)

но в сущности он определяется как величина тока, которая сделает элементарный заряд равным$e=1.602\,176\,565×10^{-19}\:\mathrm{C} =1.602\,176\,565×10^{-19} \:\mathrm{A\:s}$(с заменой точного числа на то, что CODATA говорит, что это наше лучшее измерение во время переопределения).

Сравните это с текущим определением ампера в системе СИ:

Ампер — это такой постоянный ток, который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины с ничтожно малым круглым поперечным сечением, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, будет создавать между этими проводниками силу, равную 2 × ^10–7 ньютон на метр длины.

Учитывая стандарт силы, это напрямую определяет ампер без каких-либо условий. Новое определение, однако, в основном просто определяет кулон как фиксированное число элементарных зарядов, а затем зависит от определения секунды для определения ампера. Разве это не должно сделать кулон базовой единицей?

Идя немного дальше от этого, фактическая реализация делает картину еще более запутанной. Я задокументировал их в этом вопросе и ответе , но короткая история с ампером заключается в том, что реализация в основном зависит от двух хорошо понятных физических эффектов:

• Одним из них является квантовый эффект Холла , который по существу устанавливает квант проводимости, когда электронный газ ограничен при низких температурах двумерным материалом. Тогда сопротивление будет кратно (дольной) константе фон Клитцинга,$R_K=h/e^2\approx 26\:\mathrm{kΩ}$, так что эксперимент с квантовым эффектом Холла, по сути, дает готовый эталон сопротивления.

• Другой — эффект Джозефсона , который вы получаете, когда соединяете два сверхпроводника, разделенных тонким изолирующим барьером (называемым переходом Джозефсона). В его форме переменного тока вы подвергаете соединение переменному напряжению с частотой$\nu$, а затем наблюдайте, сколько постоянного тока будет проходить в зависимости от дополнительного постоянного напряжения$V_\mathrm{DC}$; из-за квантово-механических эффектов это$I\text{-}V$характеристика покажет серию скачков при напряжениях$V_n=n\nu/K_J$, куда$K_J=2e/h\approx 484\mathrm{\:THz/V}$– постоянная Джозефсона. Таким образом, если у вас есть эталон частоты для сравнения, вы получаете готовый эталон напряжения.

Затем ампер реализуется путем объединения обоих этих стандартов очевидным образом: как ток через$1\:\Omega$резистор (откалиброванный, как указано выше) при воздействии$1\:\mathrm V$напряжение (также откалиброванное, как указано выше). Учитывая, что ампер изначально был выбран в качестве базовой единицы, потому что это имело наибольший смысл с точки зрения эксплуатации, не должны ли вольт и ом занять это место сейчас?

(Что еще хуже, при низких токах предлагаемые реализации также используют эффект, называемый одноэлектронным туннелированием , который, по сути, просто подсчитывает, сколько электронов прошло за одну секунду (хотя, по-видимому, это еще не готово для первичной метрологии). Итак, должен не является ли базовая величина электрическим зарядом?)

Хорошо, это было что-то вроде разглагольствования, но на самом деле: я что-то упустил? Есть ли какая - либо причина, помимо исторической преемственности, даже для сохранения концепции базовой величины/единицы? Если нам нужна эта концепция, почему бы не сохранить ее в виде семи фиксированных констант? (Конечно, с той тревожной особенностью, что масса больше не будет базовым измерением — ее заменит действие .) Хотим ли мы ее просто как удобную основу для векторного пространства физических величин ? Зачем нам вообще нужна каноническая база для этого? А если он нам понадобится, то разве кулон не пригодился бы и там?