Система СГС

Система СГС (сантиметр-грамм-секунда) — это система единиц измерения физических величин, в которой основными единицами являются сантиметр (единица длины), грамм (единица массы) и секунда (единица времени). Была широко распространена в науке до принятия Международной системы единиц (СИ), но до сих пор используется в некоторых областях физики, особенно в теоретической механике и электродинамике.

История

Система СГС была предложена в 1874 году Британской ассоциацией развития науки (BAAS) как когерентная система, основанная на метрических единицах. Её создание было частью усилий по унификации измерений в физике. В 1881 году на Международном конгрессе электриков в Париже система была официально принята для электрических и магнитных измерений, что привело к появлению нескольких её вариантов (электростатическая, электромагнитная и гауссова системы).

В XX веке система СГС постепенно вытеснялась системой МКС (метр-килограмм-секунда), которая легла в основу СИ. Однако в ряде разделов физики, особенно в теоретической физике и астрофизике, СГС сохранила популярность благодаря удобству записи некоторых законов (например, в электродинамике Максвелла в гауссовой системе).

Основные единицы

Система СГС базируется на трёх основных единицах:

• Сантиметр (см) — единица длины, равная 0,01 метра.
• Грамм (г) — единица массы, равная 0,001 килограмма.
• Секунда (с) — единица времени, совпадающая с секундой в СИ.

Все остальные единицы являются производными и определяются через эти три. Например, единица скорости — сантиметр в секунду (см/с), единица силы — дина (г·см/с²), единица энергии — эрг (г·см²/с²).

Варианты системы СГС

Из-за неоднозначности в определении электрических и магнитных единиц возникло несколько подсистем СГС:

Электростатическая система (СГСЭ)

В этой системе за основу берётся закон Кулона, и единица электрического заряда (статкулон) определяется так, что коэффициент пропорциональности в законе Кулона равен единице. Основные единицы:

• Статкулон (ед. заряда СГСЭ) — заряд, который действует на равный заряд на расстоянии 1 см с силой 1 дина.
• Статвольт (ед. напряжения) — разность потенциалов, при которой заряд 1 статкулон совершает работу 1 эрг.

Электромагнитная система (СГСМ)

В этой системе за основу берётся закон Ампера, и единица силы тока (абампер) определяется через магнитное взаимодействие. Основные единицы:

• Абампер (ед. тока СГСМ) — ток, который при протекании по проводнику длиной 1 см создаёт на расстоянии 1 см силу 2 дины на единицу длины.
• Гаусс (Гс) — единица магнитной индукции, равная 1 максвеллу на квадратный сантиметр.

Гауссова система (смешанная)

Наиболее распространённый вариант, в котором электрические единицы берутся из СГСЭ, а магнитные — из СГСМ. Это позволяет упростить запись уравнений Максвелла, так как в них не появляются множители 4π и c (скорость света). Гауссова система широко используется в теоретической физике и астрофизике.

Производные единицы

Ниже приведены основные производные единицы СГС и их соотношение с единицами СИ:

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Когерентность: Все производные единицы получаются без дополнительных коэффициентов (кроме электрических и магнитных, где есть варианты).
• Компактность: В гауссовой системе уравнения Максвелла записываются симметрично, без множителей 4π, что упрощает теоретические выкладки.
• Удобство в астрофизике: Многие величины (например, масса звёзд в граммах, расстояние в сантиметрах) имеют порядок, удобный для расчётов.

Недостатки

• Несовместимость с СИ: Пересчёт между системами требует учёта коэффициентов, что может приводить к ошибкам.
• Практическая неудобность: Единицы СГС (например, эрг или дина) слишком малы для инженерных расчётов, где используются джоули и ньютоны.
• Путаница в электродинамике: Наличие нескольких вариантов (СГСЭ, СГСМ, гауссова) создаёт риск неверного толкования формул.

Применение в современной науке

Несмотря на доминирование СИ, система СГС продолжает использоваться в следующих областях:

• Теоретическая физика: В квантовой механике, теории поля и общей теории относительности часто применяется гауссова система, так как она упрощает запись уравнений.
• Астрофизика и космология: Расстояния до звёзд и галактик часто выражают в парсеках или световых годах, но массы и энергии — в граммах и эргах (например, масса Солнца ≈ 2×10³³ г, светимость ≈ 3,8×10³³ эрг/с).
• Электродинамика сплошных сред: В некоторых учебниках и монографиях по физике плазмы и магнетизму используется гауссова система.
• Исторические публикации: Многие классические работы (например, труды Дж. К. Максвелла, А. Эйнштейна) написаны в единицах СГС, что требует понимания системы для их изучения.

Критика и переход к СИ

В середине XX века система СГС подверглась критике за неоднозначность и неудобство в инженерных приложениях. В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам была принята Международная система единиц (СИ), которая заменила СГС в большинстве стран. Однако в научном сообществе переход не был мгновенным: до 1980-х годов многие физические журналы принимали статьи в единицах СГС. В настоящее время СИ является обязательной для большинства научных публикаций, но в теоретических работах допускается использование гауссовой системы с оговорками.

Источники

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 1: Механика. — М.: Наука, 1979.
2. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том 2: Теория поля. — М.: Наука, 1988.
3. Jackson J. D. Classical Electrodynamics. — 3rd ed. — Wiley, 1999.
4. БСЭ (Большая советская энциклопедия). Статья «СГС система единиц». — М.: Советская энциклопедия, 1976.