1.3. Единицы измерения. Международная система единиц (СИ)

Большие единицы времени — год и сутки — дала нам сама природа. Но час, минута и секунда появились благодаря человеку.

Принятое в настоящее время деление суток восходит к глубокой древности. В Вавилоне применялась не десятичная, а шестидесятеричная система счисления. Шестьдесят делится без остатка на 12, отсюда у вавилонян деление суток на 12 равных частей. В Древнем Египте было введено деление суток на 24 часа. Позже появились минуты и секунды. То, что в 1 часе 60 минут, а в 1 минуте 60 секунд, — также наследие шестидесятеричной системы Вавилона.

Определение единиц времени является очень важным. Основная единица времени — секунда — сначала была введена как 1/86400 доля суток, а затем из-за непостоянства суток — как определенная доля года. В настоящее время эталон секунды связан с частотой излучения атомов цезия.

Примеры из жизни.

Обычно на ценниках в магазине вы видите надпись за 1 кг колбасы и уже знаете сколько она примерно стоит (300-700 руб за кг). И когда вы увидите цену 40 рублей, то наверняка удивитесь, что это за цена?! Если присмотреться, то можно понять, что цена указана за 100 грамм. То есть, чтобы оценить дороговизну этой покупки, вам нужно подумать, сколько вы отдадите за килограмм! Даже в магазине приходится напрягать мозги и совершать математические вычисления! 

Или представьте, что вы делаете ремонт в ванной комнате и поехали выбирать керамическую плитку. Кроме плитки нужен и бордюр, состоящий из небольших плиток, идущих друг за другом. На ценнике написано: “450 рублей”. Вы можете подумать: “Обычно цена плитки указывается за квадратный метр, не может же одна маленькая штучка стоить 450 рублей”. Но на кассе вы можете получить сюрприз, когда окажется, что бордюр по периметру ванной комнаты вышел дороже, чем вся плитка на стенах и на полу.

       Конечно, потребность в мерах существовала у человека всегда, однако, как правило, эти меры не были официальными, определялись через подручные материалы. А значит, не имели эталона и могли различаться от случая к случаю.

     Ярким примером может служить принятая на Руси система мер длины. Пядь, локоть, аршин, сажень – все эти единицы изначально были привязаны к частям тела – ладони, предплечью, расстоянию между раскинутыми руками. Конечно, в результате конечные измерения были неточными. Впоследствии государство прилагало усилия, чтобы стандартизировать эту систему измерения величин, но она все равно оставалась неидеальной.

      В других странах существовали свои системы измерения физических величин. Например, в Европе была распространена английская система мер – футы, дюймы, мили и др.

Основой будущей системы СИ стала метрическая система, которая получила свое распространение в XVIII веке после Великой французской революции.

Точкой отсчета, с которой началось развитие и совершенствование Интернациональной системы измерения физических величин, можно считать 22 июня 1799 года. Именно в этот день были утверждены первые эталоны – метр и килограмм. Они были выполнены из платины.

Как определяли метр

В 17 веке, с развитием в Европе науки, начали все чаще звучать призывы к тому, чтобы ввести универсальную меру или католический метр. Это была бы десятичная мера, основанная на естественном явлении, и не зависящая от постановлений находящегося у власти человека. Такая мера заменила бы собой множество разнообразных систем мер, существовавших тогда.

 Британский философ Джон Уилкинс предлагал принять за единицу длины длину маятника, полупериод которого был бы равен одной секунде. Однако в зависимости от места измерений значение получалось неодинаковым. Французский астроном Жан Рише установил этот факт во время путешествия в Южную Америку (1671 — 1673).

 В 1790 году министр Талейран предложил измерить эталонную длину расположив маятник на строго установленной широте между Бордо и Греноблем — 45° северной широты. В результате, 8 мая 1790 года, на Французском Национальном собрании постановили, что метр — это длина маятника с полупериодом колебаний на широте 45°, равным 1 с. В соответствии с сегодняшней СИ, тот метр был бы равен 0,994 м. Это определение, однако, не устроило научную общественность.

30 марта 1791 года Французская академия наук приняла предложение задать эталонный метр как часть Парижского меридиана. Новая единица должна была быть одной десятимиллионной частью расстояния от экватора до Северного полюса, то есть одной десятимилионной долей четверти окружности Земли, измеренной вдоль Парижского меридиана. Это и стало называться «Метр подлинный и окончательный».

7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие учёные, экспериментально определить единицы длины и массы.

В период с 1792 по 1797 год, по решению революционного Конвента, французские учёные Деламбр (1749—1822 гг.) и Мешен (1744—1804 гг.) за 6 лет измерили таки дугу парижского меридиана длиной в 9°40′ от Дюнкерка до Барселоны, проложив цепь из 115 треугольников через всю Францию и часть Испании.

Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм. Таким образом, длина меридиана в 40000 км лишь приблизительна. Первый прототип эталона метра из латуни, тем не менее, был в 1795 году изготовлен. Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе одного кубического дециметра воды), тоже была привязана к определению метра.

22 июня 1799 года во Франции были изготовлены два эталона из платины — эталонный метр и эталонный килограмм. Эту дату можно справедливо считать днем начала развития нынешней системы СИ.

В 1860-х под влиянием Максвелла и Томсона было сформулировано требование, согласно которому базовые и производные единицы необходимо согласовть между собой. В итоге система СГС была введена в 1874 году, при этом были выделены и приставки для обозначения дольных и кратных единиц от микро до мега.

В 1889 году на первой конференции ГКМВ была принята система МКС, основанная на метре, килограмме и секунде, сходная с СГС, однако единицы МКС виделись более приемлемыми в силу удобства из практического использования. Позже будут введены единицы для оптики и электричества.

 В 1948 году, по предписанию французского правительства и Международного союза теоретической и прикладной физики, девятая Генеральная конференция по мерам и весам выступила с поручением Международному комитету по мерам и весам предложить, с целью унификации системы единиц измерения, свои идеи по созданию единой системы единиц измерения, которая смогла бы быть принятой всеми государствами участниками Метрической конвенции.

 В 1960 году был принят стандарт, который впервые назвали «Международная система единиц», и назначили сокращение «SI» (СИ).

 Основными единицами остались те же шесть единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела, две дополнительных единиц (радиан и стерадиан) и двадцать семь важнейших производных, не предопределяя другие производные единицы, могущие быть добавленными впоследствии. (Русскоязычное сокращение «СИ» можно расшифровать как «Система интернациональная»).

 Все указанные шесть основных единиц, обе дополнительные единицы и двадцать семь важнейших производных единиц полностью совпадали с соответствующими основными, дополнительными и производными единицами, принятыми на тот момент в СССР государственными стандартами на единицы измерений для систем МКС, МКСА, МКСГ и МСС.

 В 1963 году в СССР, по ГОСТу 9867-61 «Международная система единиц», СИ была принята в качестве предпочтительной для областей народного хозяйства, в науке и технике, а также для преподавания в учебных заведениях.

 В 1968 году на тринадцатой ГКМВ единица «градус Кельвина» была заменена на «кельвин», также было принято обозначение «К». Кроме того было принято новое определение секунды: секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного квантового состояния атома цезия-133. В 1997 году будет принято уточнение, согласно которому этот интервал времени относится к атому цезия-133 в покое при 0 К.

 В 1983 году на 17 ГКМВ было дано новое определение метра. Метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

 В 2009 году Правительством РФ было утверждено «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», а в 2015 году в него были внесены изменения, призванные исключить «срок действия» некоторых внесистемных единиц.