Системы единиц физических величин
С тех пор, как стали проводить измерения, большое значение приобрели выбор единиц и обеспечение сравнимости результатов измерений.
Как было отмечено ранее, числовые значения измеряемых величин зависят от того, какие используются единицы измерения. Применявшиеся первоначально единицы длины, например, определяли по размерам частей тела человека (фут, дюйм, локоть, туаз, сажень, аршин), поэтому они были индивидуальными и непостоянными. Произвольность выбора размеров единиц привела к появлению множества местных единиц. Так, в ХVIII в. в Европе существовало до сотни различных футов, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.
Наличие большого числа произвольных единиц для одной и той же величины (например, расстояние в России измеряли верстами, а в Англии – милями) затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями. Это вызывало неудобства и трудности и сказывалось на развитии торговли и промышленности.
С целью унифицировать единицы измерения, сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана метрическая система мер[3] – первая в истории система единиц физических величин (1791 г.). Эта система стоилась на основе естественной единицы длины, равной одной десятимиллионной части четверти меридиана, проходящего через Париж. Эта единица получила название «метр» (отсюда название системы – метрическая). За единицу массы приняли массу одного кубического дециметра дистиллированной воды при температуре ее наибольшей плотности (+4 °С). Она была названа «килограмм». Были изготовлены платиновый прототип метра в виде линейки шириной 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием между концами 1 м и прототип килограмма в виде цилиндра.
Кроме единиц длины и массы, метрическая система версии 1791 г. включала в себя единицы площади, объема и вместимости для жидкостей и сыпучих тел. Также при введении метрической системы была принята десятичная система образования кратных и дольных единиц.
Несмотря на очевидные преимущества, метрическая система мер внедрялась с большим трудом и в Европе, и в самой Франции. Только в январе 1840 г. во Франции была законодательно введена метрическая система единиц, позже это было сделано в Германии. В Великобритании и США метрическая система была допущена к применению наряду с Британской системой мер. В России до 1918 г. метрическую систему применяли факультативно, её изучали в университетах, но практическое использование оставалось за русской и английской (дюймовой) системами единиц. Русские меры формировались на протяжении многих веков вместе с развитием Российского государства, английские меры были введены Петром I. Внедрение метрической системы единиц началось позже, уже в Советской России.
В 1832 г. немецкий ученый К. Гаусс предложил метод построения систем единиц измерений, применяемый и в настоящее время. Метод состоит в следующем. Единицы некоторых величин устанавливают произвольно и независимо одна от другой. Такие единицы называются основными. Единицы других величин выражают через основные единицы, исходя из уравнений связи измеряемых величин с основными. Такие единицы называются производными. Уравнение связи представляет собой уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в которых под буквенными символами понимают физические величины (например, уравнение v =l/t отражает существующую зависимость скорости v от пути l и времени t).
Совокупность основных и производных единиц измерения называется системой единиц физических величин. Необходимо, чтобы основные единицы могли быть воспроизведены с большой точностью в виде вещественного образца (эталона) или с помощью воспроизводимых явлений природы, на которых основано определение единицы.
Гаусс разработал систему единиц, названную им абсолютной, в которой в качестве основных были приняты три единицы: длины – миллиметр, массы – миллиграмм и времени – секунда. Все остальные единицы (производные) можно было определить с помощью этих трех.
С развитием науки и техники метрическую систему стали дополнять единицами других величин, но единицы выбирали произвольно, вне связи с другими отраслями. Это привело к введению в практику нескольких единиц для одной и той же по своей физической природе величины (например, единицы давления и напряжения, работы и энергии). Это создавало неудобства в применении единиц.
В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд других систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами. Например, система СГС, в которой основными единицами являются сантиметр, грамм и секунда; система МКГСС с тремя основными единицами: метр, килограмм-сила (единица силы) и секунда; система МКСА с основными единицами метр, килограмм, секунда и ампер.
Наличие ряда систем единиц физических величин, значительного числа внесистемных единиц, а также неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, потребовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.
Требовалась единая универсальная система единиц величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений, которая могла бы стать международной. При этом она должна обладать когерентностью (равенством единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).
В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц, обозначаемую сокращенно SI (начальные буквы французского наименования Systeme International d¢Unites), в русской транскрипции – СИ.