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¿Por qué la candela es una unidad base del SI?

La candela se define como

La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia $540\cdot10^{12}$ hertzios y que tiene una intensidad radiante en esa dirección de $1/683$ vatio por estereorradián.

Ahora bien, no veo ninguna razón por la cual la intensidad luminosa debería ser una unidad base. Quiero decir, simplemente podemos especificar la intensidad luminosa de cualquier fuente en términos de su frecuencia e intensidad radiante. Parece (para mí) que la intensidad luminosa solo se ha usado para agrupar los dos parámetros juntos.

Contrasta esto con la definición de un metro

El metro es la longitud del recorrido realizado por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de $1/299 792 458$ de segundo.

Ahora, en la definición de un metro hay un actor clave, a saber, la luz. Aunque esta definición se da en términos de segundo (como la candela se da en términos de frecuencia e intensidad radiante) pero también se refiere a una 'cosa' fundamental fija en la naturaleza: la luz. Es principalmente en las propiedades de la luz en las que se basa esta definición, y requerimos experimentación para determinar la 'longitud' de un metro. Esto es similar a la definición de un segundo que se refiere a un objeto real en el mundo, a saber, un átomo de cesio.

Pero no veo tal referencia en la definición de una candela. ¿Por qué la candela es una unidad SI base entonces?

EDICIÓN: Como señalaron algunos en los comentarios a continuación, aparentemente la candela se ha elegido como una unidad base considerando su utilidad en otros campos (bastante irrelevantes para la física). Así que supongo que mi pregunta se modifica entonces a: ¿Existe alguna justificación desde el punto de vista de la física para elegir la candela como una unidad SI base?

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Nathan Feger Puntos 7675

La cuestión es que la intensidad luminosa es la intensidad percibida por el ojo humano, y teniendo en cuenta especialmente el hecho de que la misma cantidad de energía será percibida como más brillante o más tenue dependiendo de si la longitud de onda está en un máximo de sensibilidad del ojo o en un mínimo.

Esto hace que la candela sea ligeramente más lavada que las otras seis unidades base del SI, porque necesitas depender de mediciones fisiológicas del ser humano promedio, quien sea que sea, pero el simple hecho es que no puedes medir qué tan brillante se ve una luz para el ojo humano usando solo cronómetros, cintas métricas y pesas: necesitas usar el ojo mismo como dispositivo de medición, o al menos calibrar con uno. La intensidad luminosa es una medida de la respuesta biológica de un sistema específico (si no es de la percepción subjetiva que esta respuesta causa), y a menos que estés dispuesto a definir la unidad de intensidad luminosa en términos de la actividad neuronal en el nervio óptico, realmente necesitas una unidad de medida que sea independiente del triplete mks.

En general, supongamos que tu ojo recibe luz de una fuente con una intensidad radiante de $$I_\mathrm{r.i.}=(I_\mathrm{r.i.})\:\mathrm{W\:sr^{-1}m^{-2}}$$, es decir, cada área unitaria $A$, canalizando un lápiz de radiación de ángulo sólido $\Omega$ recibe $I_\mathrm{r.i.}A\Omega$ julios de energía radiada por segundo. Sin embargo, esto todavía no te dice qué tan brillante se verá la fuente para ti, porque los diferentes receptores son más o menos sensibles a la radiación en diferentes longitudes de onda. No obstante, esta dependencia ha sido estudiada bastante a fondo mediante diversos métodos, lo que ha resultado en una función de luminosidad bastante estándar: es decir, una función $$\bar{y}(\lambda),\text{ también denotada }V(\lambda),$$ que te dice cómo se ven las luces a diferentes longitudes de onda. Por lo tanto, si $\bar{y}(\lambda_1)/\bar{y}(\lambda_2)=2$, entonces una luz en $\lambda_1$ se verá el doble de brillante que una lámpara con la misma intensidad radiante en $\lambda_2$.

Por supuesto, hay alguna variación individual, así como el difícil problema metrológico de medir y estandarizar la función de luminosidad, y controlar el hecho de que diferentes poblaciones pueden tener diferentes respuestas promedio, pero todo eso está en el juego y es, en última instancia, problema de otra persona (es decir, no de un físico). Y si realmente quieres adentrarte profundamente, necesitas controlar el hecho de que la intensidad percibida variará en condiciones de buena iluminación versus baja iluminación, y así sucesivamente. Sin embargo, solo necesitas normalizar una vez para cada conjunto de condiciones; de ahí el valor de las velas estándar.

La candela es esencialmente la unidad de la función de luminosidad estándar. Una fuente de luz de longitud de onda $\lambda$ e intensidad radiante $I_\mathrm{r.i.}$ tendrá una intensidad luminosa (percibida) $$I_\mathrm{l.i.}=\bar{y}(\lambda)I_\mathrm{r.i.},$$ donde ahora la intensidad luminosa $I_\mathrm{l.i.}$ es una bestia completamente diferente a la intensidad radiante, ya que depende de una reacción humana, por lo que se mide en candelas. Por lo tanto, la función de luminosidad tiene unidades de $\mathrm{cd}/(\mathrm{W\:sr^{-1}m^{-2}})$, y el papel de la definición del SI es normalizarla de manera que $$\bar{y}(555\:\mathrm{nm})=\frac{1\:\mathrm{cd}}{\mathrm{W\:sr^{-1}m^{-2}}}.$$ A partir de aquí, uno puede completar el resto de la curva para $\bar{y}(\lambda)$ usando solo mediciones comparativas de intensidad luminosa (percibida), que son mucho más fáciles.

Cuando se mide el "brillo" de una fuente de luz, hay una enorme cantidad de diferentes cantidades de interés, cada una con su propia unidad pero un nombre muy similar a las demás, y dependiendo de detalles exactos como si estás integrando sobre ángulo, superficie, longitud de onda, o cualquier combinación de estos. Es muy fácil, como físico, simplemente rendirse y considerar que "intensidad luminosa" simplemente será una de la lista. De manera similar, es fácil simplemente pasar por alto términos como fotometría y no darse cuenta de que es muy diferente a radiometría.

Esto solo significa, sin embargo, que necesitamos elevar nuestro nivel y comprender que hay una dimensión adicional en juego aquí: la sensación subjetiva de brillo tal como es percibida por el ojo humano como un dispositivo de medición, que necesitamos incluir en pie de igualdad con nuestros relojes, metros y (pronto) balanzas de vatios, si realmente queremos producir mediciones que sean útiles en un mundo habitado por humanos.

4voto

accipehoc Puntos 8

¿Existe alguna razón desde el punto de vista de la física para elegir la candela como una unidad base del SI?

Esa sigue siendo la pregunta equivocada. La pregunta correcta sería: ¿Por qué existen estos estándares (cualquiera de ellos)? La respuesta es el comercio y la industria. El SI no existe para apoyar las ciencias; el hecho de que apoye las ciencias es un beneficio adicional. Existe para apoyar a los humanos, y en particular, al comercio y la industria.

Los humanos dependemos extensamente de la visión. Es posiblemente nuestro sentido más importante. Necesitamos iluminación artificial para que nuestro mundo moderno sea posible. Los estándares para la iluminación son importantes. Las personas cometen errores en condiciones de poca iluminación, tienen dolores de cabeza en condiciones de iluminación excesivamente brillante. El uso de 540 terahercios en la definición de la candela no es en absoluto arbitrario. Ahí es donde el sistema de visión humana alcanza su máximo. El factor de 1/683 - eso es para hacer que la definición de la candela basada en la física sea consistente con definiciones antiguas. La consistencia es muy importante en metrología. La consistencia es la razón de ese factor aparentemente arbitrario de 1/299792458 utilizado en la definición del metro.

Como una observación, hay muchos físicos que no utilizan unidades del SI. Para un astrofísico, el segundo, metro y kilogramo son demasiado pequeños. Tienden a utilizar años (calificados con kilo, mega, giga) para el tiempo, unidades astronómicas o pársecs para la distancia, y la masa del Sol como sus unidades base. Para un físico de partículas, el segundo, metro y kilogramo son demasiado grandes, y tampoco son particularmente significativos. Los físicos de partículas consideran la energía como un concepto base (en oposición a la masa, que es solo una de las muchas formas de energía). Para un físico teórico, el SI es solo un pequeño paso hacia un conjunto consistente de unidades. En lo que respecta a un físico teórico, el SI es poco mejor que las unidades de costumbre todavía utilizadas en los EE. UU.

2voto

nima Puntos 11

Esa definición es para la calibración. La luminosidad se basa en un modelo estandarizado del ojo humano y tiene en cuenta la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda. Dos fuentes con la misma intensidad pero diferente frecuencia tienen diferente luminosidad. La luminosidad está relacionada con la intensidad y la frecuencia por la función de luminosidad.

-1voto

fschmitt Puntos 126

Personalmente, desde un punto de vista puramente físico, no creo que necesitemos el candela como una unidad base del S.I. Parece que todo lo que necesitamos es: m,kg,s,A,K,mol

Todo esto se puede relacionar con constantes físicas básicas (ver Physics Today, julio de 2014, p. 37): c,h,delta nu (elige cualquier transición atómica),e,k(Boltzmann),N_A(Avogadro)

De hecho, incluso N_A solo es necesario desde un punto de vista práctico de mediciones macroscópicas. Una vez que se renuncia a eso, y se agrega N_A, también se incluyen unidades como el candela relacionadas con la percepción visual humana. Con respecto a la percepción del sonido, para ser coherentes debería agregarse otra unidad como el nivel de loudness "phon" o la escala de loudness "sone". Vemos, escuchamos, para ser consistentes, quizás también debería incluirse una unidad de escala de sonido humano; no es interminable, ocho unidades S.I. "fundamentales" parecen resumirlo desde nuestro mejor punto de vista actual.

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