1.3. Основные физические величины, системы единиц и основные системы единиц

Выше уже упоминался термин (понятие) "единица физической величины". Следует сразу отметить, что теоретически невозможно получить единицы физических величин. Они сами по себе существуют лишь в виде определений, то есть некоторых формулировок, из которых следует, что подразумевают под данной единицей её авторы. Большинство современных единиц физических величин (формулировок их определяющих) разработано совместными усилиями ученых разных стран и восстановить их авторство если и не сложно, то хлопотно, для этого необходимо проследить историю развития метрологии. В материаловедении, напротив, существуют единицы физических величин (правда, условные) авторство которых не вызывает сомнения. Это единицы твёрдости Роквелла, единица твёрдости Бринелля, единица твёрдости Виккерса и т. д.

Единица ФВ - это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1 (единице), и которая применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин. Например, один метр - единица длины; одна секунда - единица времени.

В принципе должно существовать, по меньшей мере, столько же единиц ФВ, сколько существует самих физических величин. Если следовать этой логике, то может оказаться, что между разными единицами ФВ не окажется никакой связи. Раньше так и было на самом деле и это являлось колоссальным тормозом в развитии науки, техники, торговли. Чтобы выйти из этого тупика правительство Франции в конце XVIII века приняло закон, который являлся прообразом того, что сейчас называется системой единиц ФВ.

Система единиц - это совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин. Построение любой системы, вообще говоря, совершенно произвольно, так же как произвольным является число и сам подбор основных единиц ФВ, их размер и выбор определяющих уравнений (подробнее об этом термине см. раздел 1.5).

Была принята метрическая система мер, или, как ее иногда называют, десятичная система мер, которая включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм. Эта система по мысли её авторов должна служить "на все времена, для всех народов" ("á tous les temps, á tous les peuples").

(Здесь под весом подразумевается масса. Это обусловлено тем, что понятие этой величины претерпело изменения в ходе исторического развития метрологии. Кроме того, до сих пор в быту вместо понятия "масса" используют термины вес, весы как средство измерения массы, весовое хозяйство, взвешивать и т. д. Напомним, что масса тела m не зависит от ускорения свободного падения g, а вес пропорционален этому ускорению и равен mg. Понятием "масса" следует пользоваться, когда речь идет о свойстве тела или вещества, характеризующее их инерционность и способность создавать гравитационное поле. Понятие "вес" используют в ситуациях, когда говорят о силе, возникающей вследствие взаимодействия тела с гравитационным полем. В повседневной жизни путаница между этими понятиями будет, очевидно, сохраняться ещё очень долго).

В 1832 г. К.Гаусс (C.F.Gauss) предложил методику построения системы единиц как совокупности основных единиц и производных.

Основная единица системы физических единиц - это единица основной физической величины в данной системе единиц, которая определяется независимо от других физических величин, (по Гауссу это мм (длина), мг (масса) и с (время)).

Производная единица системы единиц физических величин - образуется в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже ранее определенными производными. Например, 1 мм/с - единица скорости по Гауссу.

Идеи, заложенные Гауссом, используются до сих пор при построении разных систем единиц, отличающихся друг от друга основными единицами. Со времен Гаусса было разработано несколько систем единиц ФВ (см. литературу в конце раздела). Почему было предложено столько систем? Развитие новых областей знаний требовало новых единиц ФВ. Так появились вслед за метром и килограммом, сила электрического тока, напряжение, частота, единицы шума, радиоактивности и так далее. Если будет доказано существование НЛО, эффекты экстрассенсорики и так далее, то, возможно, появятся и новые единицы ФВ.

В связи с ростом информационных потоков и развитием научно-технических связей между странами возникла острая необходимость в унификации единиц ФВ. В результате международного сотрудничества в 1960 Генеральная Конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц физических величин SI (Systeme International), которая введена в СССР и действует с 1970 г.