Системы измерения физических величин

Для того чтобы можно было производить расчеты физических параметров, необходимо иметь систему единиц физических величин. Тогда каждый параметр может иметь количественное значение, выраженное через эти величины. Но в каждой системе единиц нужно какие-то величины принимать за исходные, а какие-то окажутся производными величинами, зависящими от первых. Неудачный выбор исходных величин приведет к тому, что размерность некоторых производных величин окажется лишенной физического смысла. При определении единиц системы подбирается такая последовательность физических соотношений, в которой каждое следующее выражение содержит только одну новую физическую величину. Это позволяет определить единицу физической величины через совокупность ранее определенных единиц, а, в конечном счете, – через основные (независимые) единицы системы.

Неудобства в сфере торговли и промышленного производства, связанные с различием национальных систем единиц, натолкнули французских ученых в конце XVIII века на идею разработки единой системы мер. Такая система была разработана и получилда название метрической, так как в основу этой системы был положен метр – отрезок длины, соответствующий одной сорокамиллионной доле длины парижского меридиана.

Первоначально в метрическую систему мер входили квадратный метр как мера площади, кубический метр как мера объема и для массы – килограмм (масса 1 куб. дм. воды при 4 град. Цельсия), а также литр (для вместимости) – объем одного кубического дециметра. Единицей времени была принята секунда как 1/3600 часа, равного 1/24 суток. Метрическая система мер легла в основу Международной системы единиц физических величин СИ, принятой в 1960 г. 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам [1]. Достоинством системы СИ являются ее универсальность (охватывает все отрасли науки и техники) и когерентность, т.е. согласованность производных единиц, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициентов пропорциональности. Благодаря этому при расчетах в формулы не требуется вводить коэффициенты пропорциональности.

Все единицы в системе СИ делятся на основные, дополнительные и производные.

К основным единицамотносятся длина, выраженная в метрах [м],масса, выраженная в килограммах [кг], время, выраженное в секундах[с], а также сила электрического тока, выраженная в Амперах [A],термодинамическая температура, выраженная в градусах Кельвина [K], сила света, выраженная в канделах [кд],– количество вещества, выраженное в молях [моль].

К дополнительным единицамотнесены плоский угол,выраженный в радианах [рад] и телесный угол, выраженный в стерадианах [ср]..

Первые три основные единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовывать когерентные производные единицы для всех величин, имеющих механическую природу, четыре остальные основные единицы (добавлены для образования производных единиц величин, не сводимых, как считалось, к механическим, – для электрических и магнитных (Ампер), тепловых (Кельвин), световых (кандела) и величин физической химии и молекулярной физики (моль).

Однако необходимо отметить, что реально основными являются только три величины – метр, килограмм, секунда, поскольку только они соответствуют физическим инвариантам. Остальные величины являются производными от них, в том числе электрические, световые, тепловые и физико-химические.

Следует отметить неоспоримые достоинства системы измерений СИ перед всеми остальными: во-первых, в ней отсутствуют переводные коэффициенты и, во-вторых, в ней нет дробных размерностей. Первое обстоятельство обеспечивает удобство пользования всеми формулами, которые выражены с учетом системы СИ. Второе обстоятельство позволяет установить физический смысл любой физической величины, что в системе, оперирующей дробными показателями сделать невозможно.

По основным мерам созданы воспроизводимые эталоны, которые все время менялись, уточнялись и совершенствовались. Однако, несмотря на то, что выбор эталонов исходил из принципа их максимальной стабильности и воспроизводимости, абсолютной стабильности эти эталоны не имеют и иметь не могут, поскольку все характеристики основной частицы самого вещества – протона изменяются со временем, следовательно, со временем будет изменяться и масса эталона килограмма, и длина волны излучения, и длительность периода излучения. Но это происходит достаточно медленно, и в подавляющем большинстве случаев для прикладных задач эти изменения не имеют значения. Тем не менее, могут быть и исключения, поэтому поиски все более точных эталонов продолжаются.

Разработка системы единиц для электрических и магнитных величин в свое время столкнулась с большими трудностями.

Главным недостатком принятых систем СГС (гауссовой), СГСЭ и СГСМ является произвольность выбора исходных единиц. Фактически без какого бы то ни было основания диэлектрическая проницаемость вакуума в одной системе и магнитная проницаемость вакуума в другой системе положены равными безразмерным единицам. Результатом этого стало то, что все электрические и магнитные величины приобрели дробную размерность. Например, в системе СГСЭ магнитная индукция приобрела размерность см^–3/2г^1/2, а в системе СГСМ эта же физическая величина имеет размерность см^–1/2.г^1/2.с^–1. Это сразу же лишило электромагнитные величины физического смысла, поскольку грамм, возведенный в степень 1/2, или сантиметр, возведенный в степень 3/2 физического смысла иметь не могут. Но в подобных степенях находятся в этих системах единиц все электрические и магнитные величины. Таким образом, всякий физический смысл из этих систем единиц для электрических и магнитных величин был выхолощен изначально.

В 1901 г. итальянский физик Дж.Джорджи предложил систему единиц, основанную на метре, килограмме, секунде и одной электрической единице (позднее был выбран ампер), появилась система МКСА. Все остальные величины были производными. В этой системе единиц впервые появилась возможность избежать дробных степеней в размерностях физических величин.

В настоящее время наметился принципиально иной подход к выбору основных величин, позволяющий восстановить физический смысл для всех физических величин, который во многом совпал с уже существующей практикой.

В каждом физическом явлении участвуют три инварианта – материя, пространство и время. В конкретном явлении они проявляются в виде конкретной формы их взаимосвязи, что выражается в виде их размерности. Система измерений СИ, оперирующая мерами инвариантных величин – фактически количеством материи, выраженной мерой массы – кг, пространством, выраженным мерой длины – метром, а также временем, выраженным мерой времени – секундой является наиболее физической, отражающей реальное положение вещей в мире. В любой физической величине эти меры входят в целочисленных степенях, в отличие от других систем, например, систем СГСЭ, СГСМ и гауссовой, в которых сантиметры и граммы вводятся в дробные степени.

Система измерений СИ, как отвечающая естественным всеобщим физическим инвариантам, принципиально подлежит не ревизии, а лишь последующим уточнениям, имеющим целью привести все физические единицы, включая электрические, тепловые, световые и химические, к трем основным единицам – килограмму, метру и секунде, тем самым, сводя все физические процессы к механике.

Система СИ должна быть в будущем в основном сохранена, но в качестве основных единиц должны быть оставлены лишь килограмм как единица массы, метр как единица длины и секунда как единица времени. Все остальные величины, включая и дополнительные – радиан и стерадиан, должны быть переведены в производные единицы. При этом не следует забывать, что физическое пространство трехмерно, и каждому из трех направлений соответствует свой орт. Поэтому не всегда правильно сокращать метры, стоящие в числителе и знаменателе при выводе размерности и соответственно единицы измерения физической величины: если эти метры относятся к разным направлениям, их сокращать нельзя, иначе будет потерян физический смысл.

В настоящее время определена эфиродинамическая (механическая) сущность электрического заряда частиц как кольцевая циркуляция плотности эфира по поверхности частицы:

где – плотность эфира, S– площадь поверхности частицы, v_к – скорость поверхности частицы на ее экваторе, то единице [Кулон] соответствует в системе МКС единица [кг·с^–1]. Это означает, что единице [A] (Ампер) соответствует единица [кг·с^–2]. Отсюда появляется возможность произвести перевод всех электромагнитных единиц из системы МКСА в систему МКС. В свою очередь это позволяет выявить физическую сущность всех электрических и магнитных величин [2].

Аналогично, такие величины как термодинамическая температура, выраженная в градусах Кельвина [K], сила света, выраженная в канделах [кд] (свечах – устаревшее название), количество вещества, выраженное в молях [моль], также могут быть переведены в систему единиц МКС и отнесены не в основные, а в производные единицы.

Соответственно изменятся и производные единицы для тепловых, световых и молярных величин.

Таким образом, естественным развитием системы измерений СИ является перевод четырех единиц измерения – силы электрического тока, выраженной в Амперах [A], термодинамической температуры, выраженная в градусах Кельвина [K], силы света, выраженная в канделах [кд], и количества вещества, выраженного в молях [моль] из основных единиц измерения в производные и добавление четвертой основной единицы – «штуки», отражающей собой структурную единицу любой материальной системы. Этим будет соблюдено единство логики общих физических инвариантов и физического содержания всех единиц.

Таким образом, принципиально все физические единицы становятся механическими, в которых в качестве исходных используются меры трех инвариантных категорий – материи, пространства и времени. Это, хотя бы в принципе, позволяет выявить физических смысл каждой физической величины в любых физических явлениях.