SI単位系の質問。

質問

SI単位に関する質問です。学問の所に投稿しましたが、場違いのように感じたので、ここに再投稿します。
C1）WIKIのSI単位の電流Aの説明には、現在の定義は、「Aは, 真空中に 1ｍの間隔で平行に配置された無限に小さい円形断面積を有する無限に長い二本の直線状導体のそれぞれを流れ, これらの導体の長さ 1ｍにつき 2 × 10(－7)Nの力を及ぼし合う一定の電流である 」とある。
一般の人にとっては、測定しがたい、分り難い定義です。

・その定義通りの実験が困難である為、より高い精度の別の実験から間接的に求められている。とか
・Aの値は電流天秤によって最も正確に得られるが、実際には電圧Vと電気抵抗Ωの単位、からオームの法則によって測られると書いてあります。
これは実際には、具体的に何をどうして測定しているのでしょうか？

C2）1A＝1 C／秒の電流、という定義だから、C（クーロン）を、1個の電子の電荷量＝1.60210×10(-19)C　、と定義しても同じ事ですが、どうしてそういう定義にしなかったのですか？　1個の電子の電荷量は、永遠に不動の値を持つから、その方が分り易いですが。実際にMKSCという単位系もあったといいます。

C3）長さの定義も、白金合金のメートル原器が、世界基準に用いられてきました。
今でも保管しているという。
私は、原器としては、ガラス棒、ガラス板、等のケイ酸化合物や、陶磁器などの方が経年変化に対して安定だと思いますが、どうして白金合金を今でも、原器にしているのでしょうか。
綿などの柔らかい物の上に置いておけば、壊れる危険性も無いでしょうに。
白金合金と、陶磁器の経年安定性の比較をきちんとして、白金合金に軍配を上げているのでしょうか。

C4）1983年のSI総会で，「1ｍは、光が真空中で299,792,458分の1秒間に進む距離」と改訂されました。これも、一般の人が実際に測定する事は不可能な分り難い定義です。
これは、光速度不変の法則に基づき、こういう定義にしたのですか？
これは、一般の人にとっては、机上の空論の定義だと思いますが、それでも強行するだけの利点（精度比較等）はあったのでしょうか。

回答No.3

phosphole

そう定義したから、というのが正直な答えです。
もともとSI単位系というのは人間が勝手に作ったもので、尺貫法やヤード・ポンド法のような日常の暮らしに基づいて発展した単位とも違い、便利さではなくて統一単位を作ろうという夢に基づいて制定されたものですね。

＞一般人にはわかりづらい云々
これは一般の人に限らず、我々科学者だって、たとえば１秒の定義
「セシウム133の原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移により放射される電磁波の周期の9192631770倍に等しい時間」
はピンとこないものです。意味は分かるので、わかりづらいとは言いませんが。
もともとSI単位系に基づいた長さ・質量・時間（ほかの単位はすべてこれらの組み合わせで成り立つので、この三つだけ定義しておけばよい）があったのですが、その後の科学・技術の発展に伴って、もともとの定義では不正確（条件によって数値が変わってくることが起こりうる）ので、もっと正確かつ「できるだけ」使いやすい基準が必要になりました。ここで重要なのは、別にふつうの人が必要とするレベルの正確さは問題にしていないことです。一般の人には、一秒が1.00000001秒にずれたからといって何も変化はしょうじないでしょうが（GPSに影響するので乱暴な発言ですが）、科学の面からは大問題です。理論の根底になる数値が人によって違ってきては学問が成り立ちません。
そこで、後付っぽいですが、もともとの数値を再現しつつ、できうる限りの正確な基準を探した結果が質問者さんが困惑されているスタンダードたちです。

繰り返しますが、すべては「そう決めた」からです。
実際、科学の分野では、計算や理論がやりやすい別の単位系を使うことはしばしばあります。これらは、一定の操作でSI単位系の数値に変換できますが、わざわざ特殊な単位を使うのは、たとえば「光の速度を基準にする」「電子の質量・電荷を１とする」といったやり方によって、数字や定数が単純化して計算しやすくなるのです。
最初に尺貫法やヤード・ポンド法のことを言いました。これらの単位は、人間の体を基準にしています。したがって、それらの数値がどの程度のものなのかイメージしやすいのです。
我々はSI単位系の方がなにやら高尚で、これらの古典的な単位系が古臭いものに感じることがありますが、最初に書いたとおりそんなのは取決めの問題でしかありません。

なお、メートル原器についていろいろ不備を突っ込んでおられますが、作られた当時の技術で極力温度による形状変化が生じないものを選択しています。
なお、白金ーイリジウム合金はかなり堅牢なものですが、もちろんコメントされているとおりうかつな扱いをしたらじょじょにくるっていくでしょう。
確か、世界各地のメートル原器を比較して校正が行われていたと思います（今でもやっているのでしょうか？）。

回答No.2

bran111

C1)Rm離れた2本の導線に流れる電流がIa,Iｂのとき導線間に働く導線の単位長さ当たりの力F(N/m)は
F=μ0IaIb/2πr, (μ0：真空の誘電率)　　　　（1）
で与えられます。Ia,Ibを変化させてF= 2*10^-7 (N/ｍ)になった時の電流として1Aをきめるというのは妥当なことだと思います。ただし、必要な精度を有する測定が容易かどうかは別の話です。SI単位をとにかく厳密に定義するということは極めて重要なことで、物理化学の知識を結集して決めるべきことです。
実際に1Aなんて日常的に使う単位であって、必要な精度を有して簡単に測れる必要があります。それに用いられるのが電流計です。電流を流したことによって発生する磁気的な力によってメーターの針を動かしているわけです。メーターには必ず「検定」の問題が付きまといます。電流計や電圧計等各種のメーターは権威ある機関によって検定されている必要があり、何年かたったら再検定して狂いが生じてないかを確認する必要があります。一番大本は（1）によるとし、実用的にはそれによって精度を確認したものを「原器」としてこれを基準に検定しているのでしょう。
　検定は法令により義務付けられています。詳しくは下記を通じて確認してください。
http://www.jemic.go.jp/kentei/kijyunki.html

C2)推測ですが1C=6.24×10^18e(eは電子1個の電荷)で、これだけの電子を正しく集めるなんてどうやるのか見当もつきません。（1）のほうが現実的です。

C3)ガラス（アモルファス）は経年変化します。再結晶して水晶に戻ります。そんな部分が一部でもあると寸法が狂います。セラミックスはどうなのか知りません。

C4)光の速度が高精度で測れるようになって必然的にこのような定義が適切とされているのでしょう。

補足

回答1の方に補足質問した事は、他の方に対する質問でもあります。
どなたか回答できる人は誰もおられませんか？
日本の学術レベルがそういうレベルだという事でしょうか？

C4）m原器の1ｍの長さを使って、光速を測定したら、C＝2.9979×10(8)m/s
等のより正確な結果が得られたというが、その精度がｍ原器の精度を超えないと思います。

回答No.1

shintaro-2

わかるものだけ

>C3）長さの定義も、白金合金のメートル原器が、世界基準に用いられてきました。
今でも保管しているという。
私は、原器としては、ガラス棒、ガラス板、等のケイ酸化合物や、陶磁器などの方が経年変化に対して安定だと思いますが、どうして白金合金を今でも、原器にしているのでしょうか。
綿などの柔らかい物の上に置いておけば、壊れる危険性も無いでしょうに。
白金合金と、陶磁器の経年安定性の比較をきちんとして、白金合金に軍配を上げているのでしょうか。

温度変化に鈍感なものを採用しているだけです。

C4）1983年のSI総会で，「1ｍは、光が真空中で299,792,458分の1秒間に進む距離」と改訂されました。これも、一般の人が実際に測定する事は不可能な分り難い定義です。
これは、光速度不変の法則に基づき、こういう定義にしたのですか？
これは、一般の人にとっては、机上の空論の定義だと思いますが、それでも強行するだけの利点（精度比較等）はあったのでしょうか。

１秒の単位がセシウム原子で明確に規定されたので、
それに基づき明確に定義できる長さにしただけです。

メートル原器なんて、もとを質せば赤道の１／４万というアバウトなものですから
時間でから定義できる不変である真空中の光速となったわけです。

ところで、何故Q１－４でなくC１－４なのですか？

補足

早速御回答下さり、有難うございました。以下のコメントがあります。

C3）日本化学会編の化学便覧によると、線膨張率は、0～100℃で、白金＝9.0×10(－６)．　
900℃以下で、石英ガラス＝0.55×10(－６)．Vycorガラス＝0.78×10(－６)．です。
日本に配布されたｍ原器は、１m－（1.3－8.667t＋0.00100t２）μm　の温度特性　で、8.667×10(－６)．
従って、温度変化（安定性）は、ガラスの方が、1ケタ小さい。
従って、「温度変化に鈍感なものを採用しているだけです」というのは、何を根拠にして言われているのでしょうか？　Authorizeされた文献を提示できますか。具体性、定量性、信頼性のある回答をお願いします。

・なお、昇温によりガラス転移現象を示す非晶質固体をガラスといいますが、低温では結晶並に堅く(剛性率が大きく)流動性がない。5000年以上前の古代エジプトの遺跡から出てきたガラス瓶は、砂漠の暑い所で長い間放置されていましたが、全く変形はなかった。

C4）「ｍ原器なんて、もとを質せば赤道の１／４万というアバウトなもの」、と言われますが、
ｍ原器の標線間の長さを1mと定義した時点で、赤道の１／４万とは、何の関係もなくなっております。

C4）「ｍ、ｓ等、SIの7つの基本単位は、「完全に独立して与えられる単位]と定義されています。
光速＝距離／s＝λν　の式から、秒と波長を定義しており、該定義に違反していると思います。

C4）「1ｍは、光が真空中で299,792,458分の1秒間に進む距離」と定義された。
この定義通りに測定して、10(－７)以上の精度で測定できる研究機関は世界に1つも無いと思いますが。
あったら教えて下さい。なければ、単なる机上の空論定義です。