¿Por qué no reemplazamos nuestras unidades SI con un sistema mejor? [cerrado]

Introducción

Me parece que las unidades SI que usamos hoy no son más que el resultado de una 'coincidencia' histórica.

Recientemente comencé a investigar sobre sistemas naturales (absolutos) de unidades, que se definen de tal manera que las constantes físicas universales seleccionadas se normalizan a la unidad. Estos son muy convenientes, ya que casi todas las ecuaciones en física están simplificadas.

Unidades de Planck

Tomemos, por ejemplo, las unidades de Planck, donde cinco constantes físicas fundamentales toman el valor numérico de 1.

Para citar de Wikipedia:

Las unidades de Planck tienen un significado profundo, ya que simplifican elegantemente varias expresiones algebraicas recurrentes de la ley física mediante la adimensionalización. Son particularmente relevantes en la investigación sobre teorías unificadas.

Las unidades de Planck incluso se denominan "unidades de Dios", ya que las unidades de Planck están libres de arbitrariedad antropocéntrica.

Justificación

Sé que muchas cantidades "cotidianas" para un físico en términos de unidades de Planck serían números muy pequeños (por ejemplo), pero eso no debería ser un problema si usamos notación científica. De hecho, es una gran cosa ya que nos puede dar una mejor idea de que esas cantidades están ahora en un sistema de unidades que está vinculado conceptualmente a un nivel físico fundamental. Además, muchas de estas cantidades "cotidianas" también se expresan con números muy pequeños/muy grandes en unidades SI. Piensa en la constante de Planck.

Frank Wilczek incluso argumenta que el uso de unidades de Planck nos ayudaría a replantear cuestiones importantes en física:

Vemos que la pregunta no es "¿Por qué la gravedad es tan débil?" sino más bien, "¿Por qué la masa del protón es tan pequeña?" Porque en unidades [de Planck], la fuerza de la gravedad es simplemente lo que es, una cantidad primaria, mientras que la masa del protón es el número diminuto [1/(13 quintillones)].

Soy consciente de que sería un gran cambio si tuviéramos que cambiar nuestras unidades SI, pero si se va a hacer, es mejor que se haga ahora mismo, antes de que más físicos crezcan usando el antiguo sistema de unidades. No es probable que el cambio inutilice el material escrito antiguo ya que, por ejemplo, los Principia Mathematica de Newton siguen siendo un texto fundamental en mecánica a pesar de que utiliza nociones obsoletas como "cantidad de movimiento" y "cantidad de materia".

Pregunta

Teniendo en cuenta todo lo que expliqué, ¿hay alguna razón por la que elegimos seguir con el viejo y cansado sistema de unidades?

¿Por qué no dejamos el kilogramo, definido por una barra francesa arbitraria, para las damas que cotillean sobre el peso de Kim Kardashian y elegimos algo que tiene más sentido científicamente?

¿Qué sentido tiene describir mi masa como 3215862471.3444 metro PAG yo en lugar de 70 kg?
Lea mi pregunta por completo, incluida la última línea. Propongo esto como una forma de propagar el estudio de la física, habiendo esbozado claramente el 'sentido' de la misma.
Mientras estamos en eso, ¿por qué no reemplazamos el sistema decimal con el sistema binario? Lo digital vino porque tenemos 10 dedos. Piensa cómo le enseñarías a contar a un niño; contar con los dedos era natural y probablemente estaba en nuestro ADN :)
Correcto, los físicos en los diferentes subcampos tienen diferentes sistemas de unidades que funcionan para ellos . Uso cgs porque soy astrónomo, otros pueden usar SI, otros usan unidades imperiales. Restringir todo a un sistema de unidades parece inútil porque no es práctico.
Los físicos también comienzan como niños y progresan hasta convertirse en estudiantes de posgrado y allí ya tenemos el c=1, etc., pero tenemos una comprensión intuitiva de las unidades de las que surgieron de forma natural.
@annav Hablo en serio sobre mi pregunta. Reemplazar el sistema decimal no traería ninguna de las ventajas que propuse. Y, si argumenta que estoy tratando de 'restringir' el sistema de unidades, recuerde que las unidades SI actuales también son una 'restricción' como dice, aunque muy arbitraria.
Pero esas cinco constantes físicas fundamentales están definidas por una precisión finita. Por lo tanto, definir las unidades como uno por esa constante produciría incertidumbres en las unidades. E incluso podría significar que las unidades tienen que cambiar con el tiempo si las constantes se definen con mayor precisión.
@fibonatic Finalmente, un comentario que en realidad responde a mi pregunta. Ese es un buen punto que vale la pena investigar más.
Creo que su propuesta ignora que un número muy pequeño de estudiantes que estudian cursos de física se convertirán en físicos teóricos, el resto seguirá otras disciplinas donde las unidades SI están bien, excepto que estoy de acuerdo en que se debe encontrar una definición más estable del kilogramo. .
@fibonatic Las constantes físicas tienen una precisión perfecta. Nuestra capacidad para comparar algo con ellos (es decir, medirlos) carece de precisión. Sin embargo, esto es cierto para cualquier sistema de unidades.
Si cambiar de unidad fuera tan fácil, las unidades imperiales ya habrían muerto.
Por lo que puedo decir, hemos cambiado a unidades naturales. Personalmente, uso unidades de Planck todos los días en mi investigación. Nunca uso métrica. Pero admites que el sistema métrico es útil para el profano. Entonces se convierte en un problema de la infancia. El sistema métrico es muy útil porque sus unidades representan cantidades relevantes para la vida cotidiana. 1 segundo, 1 metro, 1 kilogramo. Todas estas son escalas útiles y relacionables. Como no podemos decir qué niño será científico, a todos se les enseña el sistema métrico más útil en ese momento. Esto simplemente se convierte en el estándar y se impregna en una carrera científica.
SI es el estándar porque es más útil para más del 99% de la población que las unidades de Planck. Y hasta que un sistema de unidades se vuelva más útil para la mayoría de la sociedad que el sistema métrico, seguirá siendo SI. No podemos simplemente cambiar los sistemas porque un pequeño grupo encuentra otro sistema más útil. Kyle Kanos tiene razón. 70 kg es mucho más fácil. El sistema estándar debe ser el más fácil de usar con la aplicabilidad más amplia.
La NASA puso a un hombre en la luna usando pies y millas náuticas, libras de empuje y una miríada de otras unidades que te hacen estremecer. Paz.
@fibonatic ¡Tenemos el nuevo SI que entrará en vigencia el 20 de mayo de 2019, con valores exactos para esas constantes!

Respuestas (3)

La respuesta corta es que simplemente no es posible diseñar un sistema de unidades de "talla única". La gama asombrosamente amplia de escalas de masa, tiempo y longitud que aparecen en el Universo impiden esto. El sistema de unidades de Planck que mencionaste es principalmente útil para personas que nunca tocarán un aparato experimental. La gran mayoría de los científicos e ingenieros ni siquiera hacen física, y mucho menos física cuántica o cosmológica teórica, y necesitan un sistema de unidades estándar que refleje la magnitud de las cantidades que es más probable que se encuentren en su trabajo diario.

Por lo tanto, los físicos profesionales usan cualquier sistema de unidades que sea más conveniente para el problema en cuestión. No hay peligro de que "crezcan más físicos usando el antiguo sistema de unidades" , como si eso de alguna manera oscureciera la comprensión de las personas. En realidad, cuanto más sistemas de unidades redundantes y extraños estén expuestos los físicos en formación, mejor. Esto le enseña fluidez en la conversión entre estos sistemas y le ayuda a comunicarse con personas de diferentes subcampos.

Respuesta bien pensada. De hecho, no existe una unidad única para todos y los científicos a los que no les gusta usar ciertas unidades no deberían verse obligados a hacerlo. Pero estoy hablando de la idea de "unidades SI". ¿No cree que nuestras unidades SI deberían definirse en términos de fenómenos naturales en lugar de, por ejemplo, una barra de platino-iridio que podría destruirse un día y ya no tendríamos un "kilogramo"?
@ hb20007 De hecho, sí. Creo que el kilogramo es la única unidad SI restante que se define tan arbitrariamente. Por ejemplo, el segundo se define en términos de la frecuencia natural de una transición atómica, y el metro se define en términos de la distancia que recorre la luz en un tiempo determinado. Varios científicos, como Peter Knight , están haciendo campaña con bastante fuerza para que también se cambie la definición de masa; Espero que finalmente tengan éxito.
Esto me hace pensar en 2 unidades estrechamente relacionadas que se usan con frecuencia en química, el joule y la caloría (1 cal = 4,184 J). Muchos físicos probablemente no usan una caloría, pero es muy fácil de definir. Es la cantidad de energía necesaria para elevar 1 grado (centígrado) la temperatura de 1 g de agua. Los químicos lo usan porque quieren saber la energía liberada (o necesaria) en una reacción y el cambio en la temperatura del agua fue conveniente. Un Joule se define como el trabajo realizado al mover una masa. Realmente no es lo mismo.
@ LDC3 Sí, en realidad tenía en mente un ejemplo diferente pero con el mismo espíritu. En la física atómica, la gente a menudo usa Hz para medir la energía, porque le informa de inmediato sobre las escalas de tiempo típicas de los fenómenos (a menudo fuertemente fuera de equilibrio) y las frecuencias de luz que podrían usarse para sondearlos. Pero los físicos de partículas parecen encontrar las unidades de masa mucho más útiles para la energía, presumiblemente porque indican qué tipo de partículas se puede esperar que participen en el proceso. Una cantidad física para ambas situaciones, pero con significado diferente y por lo tanto unidades diferentes.
@MarkMitchison La redefinición de la kg ya está en etapa de borrador (por la autoridad correspondiente). Mira mi respuesta.

Actualización: Usuario Usuario que no es usuario comenta que el Nuevo SI estará en uso a partir de la próxima semana, 20 de mayo de 2019, cinco años después de la publicación de esta respuesta.

Ya se está redactando una propuesta para revisar el SI (mientras hablamos). Parece que la 'varilla francesa arbitraria', también conocida como kilogramo prototipo internacional (IPK), ya está a punto de desaparecer. 'Sobre la posible revisión futura del SI' del BIPM brinda algunos de los detalles. (BIPM no es un club oscuro, de hecho es la Oficina Internacional de Pesos y Medidas . También tienen el IPK en su sótano).

En el "Nuevo SI", cuatro de las unidades básicas del SI, a saber, el kilogramo, el amperio, el kelvin y el mol, se redefinirán en términos de invariantes de la naturaleza; las nuevas definiciones se basarán en valores numéricos fijos de la constante de Planck ( h ), la carga elemental ( mi ), la constante de Boltzmann ( k ), y la constante de Avogadro ( norte A ), respectivamente. Además, las definiciones de las siete unidades básicas del SI también se expresarán de manera uniforme mediante la formulación de constantes explícitas , y se redactarán mises en pratique específicas para explicar la realización de las definiciones de cada una de las unidades básicas de manera práctica. .

El kilogramo recibirá el siguiente tratamiento. (Este es un borrador del 16 de diciembre de 2013 ).

El kilogramo, símbolo kg , es la unidad SI de masa; su magnitud se establece fijando el valor numérico de la constante de Planck para que sea exactamente 6.626   069   57 × 10 − 34 cuando se expresa en la unidad SI de acción Js = kg m 2  s − 1 .

Así es como se verá el Nuevo SI en términos de siete constantes definitorias (nuevamente: borrador).

El sistema internacional de unidades, el SI, es el sistema de unidades en el que

la frecuencia de división hiperfina del estado fundamental imperturbado del átomo de cesio 133 Δ v ( 133 cs ) hfs es exactamente 9   192   631   770 hercios,

la velocidad de la luz en el vacío C es exactamente 299   792   458 metro por segundo,

la constante de Planck h es exactamente 6.626   069   57 × 10 − 34 julio segundo,

la carga elemental mi es exactamente 1.602   176   565 × 10 − 19 culombio,

la constante de Boltzmann k es exactamente 1.380   648   8 × 10 − 23 julio por kelvin,

la constante de avogadro norte A es exactamente 6.022   141   29 × 10 23 mol recíproco,

la eficacia luminosa k cd de radiación monocromática de frecuencia 540 × 10 12 hertz es exactamente 683 lumen por vatio,

donde el hertz, joule, coulomb, lumen y watt, con símbolos de unidad Hz , j , C , estoy , y W , respectivamente, están relacionados con las unidades segundo, metro, kilogramo, amperio, kelvin, mol y candela, con símbolos de unidad s , metro , kg , A , k , mol , y cd , respectivamente, de acuerdo con las relaciones Hz = s – 1 (para fenómenos periódicos), j = kg m 2  s – 2 , C = Como , estoy = cd sr , y W = kg m 2  s – 3 . El estereorradián, símbolo señor , es la unidad SI de ángulo sólido y es un nombre y símbolo especial para el número 1 , de modo que señor = metro 2  metro − 2 = 1 .

Tenga en cuenta que todos son exactos.

Ejemplo 1. ¿Qué significa eso para un metro?

metro = 9   192   631   770 299   792   458 C Δ v ( 133 cs ) hfs

Ejemplo 2. Kyle Kanos tiene una masa de 70  kg en el SI actual. Si quiere asegurarse de tener la "misma" masa después de la adopción de este Nuevo SI, debe asegurarse de que su masa será

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

Puede elegir izquierda o derecha. Son exactamente iguales en el Nuevo SI. (El … refleja el redondeo numérico de un cociente, no un error de medición o incertidumbre).

El BIPM tiene algunas preguntas frecuentes sobre el nuevo SI aquí .

Así que quieren definir una masa usando una cantidad con otras 2 unidades con errores de precisión. Creo que preferiría ir con un número definido de átomos monoisotópicos.
@ LDC3 Creo que no. Creo que el nuevo SI será tal que las constantes sean números fijos sin errores de precisión. Supongo que ese es el punto. El valor numérico de la constante de Planck será 6.626   069   57 × 10 − 34 , exactamente.
Un metro se define como la distancia recorrida en un tiempo determinado. El segundo se define por el número de longitudes de onda de una determinada frecuencia. Ambos se utilizan en el cálculo de la masa a partir de la constante de Planck. Estos no son números fijos.
@ LDC3 No te entiendo muy bien. Son números fijos.
@GlenTheUdderboat Esto, al pie de la letra, parece sacar lo mejor de ambas ideas. Utiliza unidades familiares pero también las define en términos mejores y más absolutos. Interesante.
La constante de Plank puede ser fija, pero se miden el segundo y el metro. Deben usarse para determinar qué es un gramo (o kg). Entonces hay un número fijo y 2 números con errores de precisión.
@LDC3 He incluido las otras constantes fijadas numéricamente del Nuevo SI en mi respuesta. Espero que eso lo aclare.
No veo la constante de un metro. ¿Te perdiste ese?
@ LDC3 Puede derivar metro = 9   192   631   770 299   792   458 C Δ v ( 133 cs ) hfs .
Precisamente lo que vengo diciendo, se mide y hay un error en la medición.
@LDC3 En el Nuevo SI, ya no se miden. Están definidos. De hecho, C ya estaba definido en SI. ¿Nunca te sorprendió que la velocidad de la luz tuviera un valor entero?
@GlenTheUdderboat parece que te has perdido tres signos negativos importantes en el exponente de los valores de h , mi , y k .
@Abhinav ¡Gracias! Algo debe haber salido mal en el copiar y pegar. Arreglado.
¡Ha llegado 2019, y también lo hará el Nuevo SI en una semana (20 de mayo de 2019)!
Realmente se perdió una oportunidad cuando decidieron no definir c como 300 000 000 m/s en lugar de 299 792 458 para ajustarse a la vieja regla métrica, aunque entiendo por qué. La pulgada se redefinió a 25,4 mm, que fue un cambio similar con una nueva definición en relación con el valor histórico.

Porque es bueno que en física usemos las mismas unidades que en la vida cotidiana (al menos, fuera de un puñado de países que permanecerán sin nombre). Hace que las cosas sean más fáciles de explicar, más fáciles de medir. Hace que sea más fácil verificar mentalmente si el resultado de un experimento tiene sentido.

Nunca logrará que todo el mundo cambie a unidades de Planck, porque las unidades SI están diseñadas para relacionarse con los tamaños que encontramos todos los días. Un metro es aproximadamente la mitad de la altura de una persona; un kilogramo se puede levantar fácilmente y es una buena unidad de medida para cosas como la comida; segundos, minutos y horas subdividen el día en partes manejables.

Suponga que usa la longitud de Planck en lugar del metro. Si tienes hijos, probablemente querrán medirse ellos mismos de vez en cuando. ¿Vas a decirles que son 10 35 Plancks alto? ¿O preferirías decir que hace unos años medían medio metro y ahora miden un metro? Esto es solo un ejemplo de mi cabeza, por supuesto.

La moraleja aquí es que las unidades SI permiten números fáciles. Basta con memorizar los prefijos mili- y kilo-, por ejemplo, para hablar de distancias tan pequeñas como algo que apenas se ve o tan grandes como el tamaño de la Tierra, utilizando no más de unas cuatro cifras. Esto simplemente no es posible con las unidades Planck/natural/lo que sea.

Hay una advertencia, por supuesto: la física teórica. Este es el único lugar, entre todas las cosas que todo el mundo hace en el mundo, la gran mayoría de las cuales no son físicas, donde la elegancia de las ecuaciones es importante, como dice tu cita sobre la gravedad. Pero fuera de eso, en todos los demás subcampos de la física, así como para la vida cotidiana, sus unidades propuestas son, en el mejor de los casos, inútiles.

De hecho, incluso dentro de la mayoría de los subcampos de la física teórica , ¡las unidades de Planck no son muy útiles!
@JavierBadia Buena respuesta que muestra que leyó toda la pregunta. Aunque no defiendo el uso de unidades absolutas para fines no científicos, como medir la altura de sus hijos, estoy de acuerdo con la idea de que tener unidades que sean fáciles de comprender a un nivel intuitivo es algo bueno.
Presumiblemente, necesitaríamos más prefijos SI, y les dirías que tienen 100 Squiggaplancks de altura ;-) No es que las personas nazcan sabiendo lo que significa "kilo-", lo saben una vez que saben lo que es un gramo. y cuanto es un kilogramo Del mismo modo, los niños generalmente manejan "cm" desde una edad bastante temprana. Naturalmente, no intuirán realmente el número que representa un Squigga, en la forma en que pueden contar hasta 100, y pensarán en contar hasta 1000 o pasarán media hora haciéndolo. Pero sabrán qué tan lejos está un Squiggaplanck, no hay problema.
@Steve: Si la gente memoriza qué es un squiggaplanck, ¿por qué no llamarlo simplemente un metro?
Solo por la premisa de la pregunta, que hay alguna virtud en usar unidades naturales. Si la gente memoriza lo que es un cm, ¿por qué no llamarlo cebada? ¡Solo porque SI no nos deja!
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