Международная система единиц (СИ)
Международная система единиц (СИ) — это единая, когерентная система единиц физических величин, принятая в качестве основной и рекомендованная для использования во всём мире. Она является современной формой метрической системы и служит эталоном для измерений в науке, технике, промышленности и повседневной жизни. СИ базируется на семи основных единицах, соответствующих фундаментальным физическим величинам, и производных единицах, образованных из них по определённым правилам. Официальное сокращение — SI (от фр. Système international d'unités).
История создания
Предпосылки возникновения
До конца XVIII века в мире существовало множество различных систем мер и весов, что создавало значительные трудности в торговле, науке и международном общении. В эпоху Просвещения возникла идея создания универсальной, основанной на природных константах системы. Во Франции, после Великой французской революции, была предпринята попытка ввести десятичную метрическую систему, основанную на метре (как одной десятимиллионной части четверти парижского меридиана) и килограмме (как массе одного кубического дециметра воды).
Принятие метрической конвенции
В 1875 году семнадцать стран, включая Российскую империю, подписали Метрическую конвенцию. Этот документ учредил Международное бюро мер и весов (МБМВ) и Международный комитет мер и весов (МКМВ). Целью конвенции было создание и поддержание международных эталонов метра и килограмма. В 1889 году были изготовлены и розданы странам-участницам платино-иридиевые прототипы метра и килограмма.
Развитие в XX веке
В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) была официально принята Международная система единиц (СИ). Первоначально она включала шесть основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин и кандела. В 1971 году к ним была добавлена седьмая основная единица — моль. С этого момента СИ стала доминирующей системой единиц в мире, постепенно вытесняя другие системы (например, систему СГС).
Революция 2019 года: переопределение через фундаментальные константы
Долгое время эталоном килограмма служил физический объект — платино-иридиевый цилиндр, хранящийся в МБМВ. Его масса могла незначительно меняться из-за загрязнений или эрозии, что создавало неопределённость. 20 мая 2019 года вступило в силу новое определение СИ, которое стало «квантовой революцией» в метрологии. Все семь основных единиц теперь определяются через фиксированные численные значения фундаментальных физических констант:
- Секунда — через частоту перехода атома цезия-133 (ΔνCs).
- Метр — через скорость света в вакууме (c).
- Килограмм — через постоянную Планка (h).
- Ампер — через элементарный электрический заряд (e).
- Кельвин — через постоянную Больцмана (k).
- Моль — через постоянную Авогадро (NA).
- Кандела — через световую эффективность монохроматического излучения (Kcd).
Это сделало систему независимой от физических артефактов и более точной.
Основные единицы СИ
Система базируется на семи основных единицах, каждая из которых соответствует определённой физической величине и имеет строгое определение.
| Величина | Единица | Обозначение (рус.) | Обозначение (межд.) | Определение (с 2019 г.) |
|---|---|---|---|---|
| Время | секунда | с | s | 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. |
| Длина | метр | м | m | Расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. |
| Масса | килограмм | кг | kg | Единица массы, определяемая через фиксированное численное значение постоянной Планка h, равное 6,62607015·10⁻³⁴ Дж·с. |
| Сила электрического тока | ампер | А | A | Единица силы тока, определяемая через фиксированное значение элементарного электрического заряда e, равное 1,602176634·10⁻¹⁹ Кл. |
| Термодинамическая температура | кельвин | К | K | Единица температуры, определяемая через фиксированное значение постоянной Больцмана k, равное 1,380649·10⁻²³ Дж/К. |
| Количество вещества | моль | моль | mol | Единица количества вещества, содержащего 6,02214076·10²³ структурных элементов (атомов, молекул, ионов). |
| Сила света | кандела | кд | cd | Сила света в заданном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, с энергетической силой света 1/683 Вт/ср. |
Производные единицы
Производные единицы СИ образуются из основных с помощью алгебраических действий (умножения, деления). Они могут иметь собственные названия и обозначения. Наиболее известные производные единицы:
- Герц (Гц, Hz) — частота (1/с).
- Ньютон (Н, N) — сила (кг·м/с²).
- Паскаль (Па, Pa) — давление (Н/м²).
- Джоуль (Дж, J) — энергия, работа (Н·м).
- Ватт (Вт, W) — мощность (Дж/с).
- Вольт (В, V) — электрическое напряжение (Вт/А).
- Ом (Ом, Ω) — электрическое сопротивление (В/А).
- Кулон (Кл, C) — электрический заряд (А·с).
- Градус Цельсия (°C) — температура (t°C = T(K) — 273,15).
Приставки СИ для образования кратных и дольных единиц
Для удобства записи очень больших или очень малых величин используются десятичные приставки. Они добавляются к наименованию единицы (например, километр, миллиметр, наносекунда).
| Множитель | Приставка | Обозначение (рус.) | Обозначение (межд.) |
|---|---|---|---|
| 10¹⁸ | экса | Э | E |
| 10¹⁵ | пета | П | P |
| 10¹² | тера | Т | T |
| 10⁹ | гига | Г | G |
| 10⁶ | мега | М | M |
| 10³ | кило | к | k |
| 10² | гекто | г | h |
| 10¹ | дека | да | da |
| 10⁻¹ | деци | д | d |
| 10⁻² | санти | с | c |
| 10⁻³ | милли | м | m |
| 10⁻⁶ | микро | мк | µ |
| 10⁻⁹ | нано | н | n |
| 10⁻¹² | пико | п | p |
| 10⁻¹⁵ | фемто | ф | f |
| 10⁻¹⁸ | атто | а | a |
Применение и значение
СИ является обязательной или рекомендованной системой единиц в большинстве стран мира. В Российской Федерации использование единиц СИ регламентируется законодательством об обеспечении единства измерений. Она применяется во всех областях:
- Наука и образование: Все научные публикации, учебники и лабораторные работы используют СИ.
- Промышленность и техника: Инженерные расчёты, стандарты, чертежи и техническая документация выполняются в единицах СИ.
- Торговля и быт: Масса продуктов (килограммы), объём жидкостей (литры — внесистемная единица, допущенная к использованию с СИ), расстояние (километры, метры).
- Медицина: Дозировки лекарств (миллиграммы, микрограммы), рост и вес пациентов.
- Спорт: Результаты соревнований (метры, секунды, килограммы).
Критика и ограничения
Несмотря на универсальность, СИ имеет некоторые недостатки:
- Сложность определения: После переопределения 2019 года определения стали сложными для понимания неспециалистами.
- Неудобство для некоторых областей: В астрономии и космологии используют внесистемные единицы (световой год, парсек, астрономическая единица), так как метры и километры неудобны для измерения межзвёздных расстояний.
- Проблемы с точностью: В некоторых областях, например, в квантовой физике, предпочитают использовать естественную систему единиц (Планковские единицы), где фундаментальные константы равны единице.
Интересные факты
- Единственной страной, официально не принявшей СИ, являются США, хотя в науке и промышленности США она активно используется.
- До 2019 года килограмм был последней единицей, определяемой через физический артефакт.
- В России до введения метрической системы использовалась система русских мер (аршин, сажень, пуд, фунт). Метрическая система была введена декретом Совнаркома РСФСР в 1918 году, а обязательной стала с 1927 года.
Источники
- «Международная система единиц (СИ)». Брошюра СИ, 9-е издание, 2019 г. (BIPM).
- Федеральный закон РФ «Об обеспечении единства измерений» от 26.06.2008 № 102-ФЗ.
- ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».
- «История метрологии». Под ред. В. А. Брюханова. — М.: Изд-во стандартов, 1990.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →