Стандартом рекомендовано преимущественно применять международные обозначения единиц.

Приводимые ниже определения и числовые данные носят характер справочного материала. Представляется, что исследователю должно быть полезно по крайней мере общее знакомство с ними.

Единица длины – метр – в настоящее время, в соответствии с решением XVII ГКМВ, принятым в 1983 г., определяется как путь, проходимый в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды (в исходном тексте ГОСТ 8.417–81 было другое определение). Значение скорости света этим решением фиксировано точно (оно считается не имеющим погрешности) в виде c₀ = 299792458 м/с.

Единица массы – килограмм – определяется как масса международного прототипа килограмма (проще говоря, эталонной гири). Уже давно ведется работа, направленная на замену этого “уничтожимого” эталона другим, основанным на использовании стабильных масс атомов; но на этом пути еще не достигнута необходимая точность.

Единица времени – секунда – еще недавно определялась через астрономические явления. Современное определение (XIII ГКМВ, 1967 г.) в упрощенном виде звучит следующим образом: секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя определенными сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Отметим, что секунда есть собственно единица длительности интервала времени. Текущее время не является величиной, для его выражения недостаточно единиц, а необходимо использовать шкалы времени, которые нужно непрерывно вести. В первом приближении эти шкалы являются интервальными, и в настоящее время ведутся с использованием атомных часов. Однако, из-за необходимости согласования ритма нашей жизни с вращением Земли вокруг оси и вокруг Солнца (а неравномерность этих движений превышает погрешность атомных часов), “атомное время” периодически совмещают с астрономическим.

Таким образом, мы живем по атомной координированной шкале времени, не являющейся строго интервальной. Для датирования событий путем счета лет, месяцев, дней и даже часов и минут это несущественно. События в далеком прошлом, о которых не осталось письменных свидетельств, датируются по ассоциативным шкалам, в частности, основанным на радиоактивном распаде.

Единица силы электрического тока – ампер – определяется как сила неизменяющегося тока, который, при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенными на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2.10^–7 Н.

Конечно, столь сложное определение не реализуется непосредственно в виде эталона. Фактически применяемые способы воспроизведения ампера описаны, например, в пособии [26] и монографии [6]. История создания и современное состояние эталона ампера и других отечественных эталонов изложены в уже упоминавшемся издании: Российская метрологическая энциклопедия.

Отметим, что определение ампера основано на том, что магнитная проницаемость вакуума (магнитная постоянная) принята равной μ₀ = 4π.10^–7 Гн/м; соответственно электрическая постоянная получается равной ε₀ = 1/(μ₀c₀²) = = 8,854187187.10^–12 Ф/м.

Единица термодинамической температуры – кельвин – определяется в соответствии с резолюцией XIII ГКМВ как 1/273,16 часть температуры тройной точки воды (то есть точки равновесия ее твердой, жидкой и газообразной фаз).

Это определение интересно тем, что оно должно фиксировать шкалу температуры как любую другую пропорциональную шкалу, по единственному реперу, поскольку термодинамическая температура имеет естественный (“абсолютный”) нуль. Но если разделить метр или килограмм на равные части не составляет труда, то легко ли разделить на 273,16 части температуру тройной точки воды, хранимую эталоном?

Температура не аддитивна, и простых способов делить ее на части нет. Приходится использовать ряд физических законов, в которые входит температура – это, в частности, законы, описывающие поведение газов и тепловое излучение. Применять эти законы непосредственно для градуировки термометров (а тем более в каждом конкретном случае измерения температуры) невозможно. Поэтому поступают так: сложными лабораторными экспериментами устанавливают с наивысшей достижимой точностью ряд термодинамических температур, соответствующих состояниям фазовых равновесий определенных чистых веществ. Между полученными реперными точками выполняют интерполяцию с помощью устройств с хорошо изученными характеристиками – платинового термометра сопротивления и (при высоких температурах) эталонной термопары.

Таким образом строится практическая температурная шкала, которая и передается средствам измерения температуры.

В 1968 г. была введена международная практическая температурная шкала МПТШ-68, впоследствии она была уточнена (с введением новых реперных точек) и с 1990 г. заменена на МТШ-90. В монографии [6] на с. 142 сведены в таблицу 17 основных реперных точек МТШ-90.

Отметим, что коэффициент 273,16 подобран таким образом, чтобы размер кельвина совпал с размером градуса Цельсия. Нуль шкалы Цельсия соответствует 273,15 К (температура тройной точки воды получается равной 0,01 °C).

Единица количества вещества – моль – определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде ¹²C массой 0,012 кг. При этом структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами и т. д. Введение этой единицы вызвало в среде метрологов дискуссии, поскольку она не воспроизводится с помощью особого эталона, не измеряется особыми приборами и, как говорят, является только расчетной.

Единица силы света – кандела (написание “канделла” ошибочно) – определяется как сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Таким образом, кандела жестко “привязана” к энергетическим единицам.

Последнее становится еще яснее, если от канделы перейти к единице светового потока – люмену (русское обозначение лм), который по размеру соответствует канделе, умноженной на стерадиан. Получается, что для света частотой 540·10¹² Гц (его длина волны составляет 555 нм) люмен равен 1/683 ватта! Зачем же понадобились особые “световые единицы мощности” ?

Дело в том, что свет воспринимается субъективно, и чувствительность глаза к излучениям разной частоты (или, что то же самое, разной длины волны) различна.

Наибольшая чувствительность при нормальном дневном зрении достигается как раз вблизи длины волны 555 нм – это желто-зеленый цвет. Световые единицы для естественного или искусственного немонохроматического света получаются из энергетических единиц с учетом этой различной чувствительности глаза, которая изучена и для нормального зрения стандартизована. Таким образом, в СИ имеется среди вполне объективных единиц одна основная единица, хотя и имеющая объективное определение, но учитывающая особенности субъективного человеческого восприятия. С ней связана группа когерентных производных единиц, в частности, люмен и люкс.

Но теперь можно задать вопрос: а почему зрение выделено из всех пяти чувств? Почему не включена в СИ, например, единица громкости звука? Очевидно, дело здесь в особой важности зрения в жизни человека и в необходимости нормирования и расчета искусственного освещения.

Понятие дополнительных единиц в СИ исходно не было определено, и мнения по вопросу о статусе радиана и стерадиана расходились, что, очевидно, связано с двойственным характером размерности угла (см. параграф 3.1). Авторы справочника [5] считали радиан основной единицей, а стерадиан – производной; авторы справочной книги [25] переводили радиан и стерадиан в ранг производных единиц. В МИ 2630–2000 содержится изумительная по своей неопределенности формулировка: в 1995 г. XX ГКМВ постановила “считать радиан и стерадиан безразмерными производными единицами СИ, которые могут использоваться или не использоваться в выражениях для других производных единиц (по необходимости)”. Действительно, единицы, например, угловой скорости рад/с (радиан в секунду) и “частоты вращения” 1/с (оборот в секунду) совершенно различны!

3.4. Производные, кратные и дольные единицы СИ

Названия большинства когерентных производных единиц СИ образуются из названий основных единиц: так, площадь измеряется в квадратных метрах, скорость – в метрах в секунду, ускорение – в метрах на секунду в квадрате, плотность – в килограммах на кубический метр.

Некоторые наиболее употребительные когерентные производные единицы СИ, имеющие собственные названия, сведены в табл. 3.2.

Размеры этих единиц находятся из простых соотношений. Герц есть частота колебания, период которого равен 1 с; ньютон – сила взаимодействия, сообщающего телу массой 1 кг ускорение 1 м/с²; паскаль – давление, соответствующее одному ньютону на квадратный метр, люкс – освещенность, при которой световой поток 1 лм равномерно распределяется по площади 1 м², и т. д.

Величины, размеры которых существенно больше или меньше размеров основных или когерентных производных единиц, удобно выражать соответственно в кратных или дольных единицах. Для образования их наименований используются десятичные приставки, сведенные в табл. 3.3 (приставки для 10²⁴, 10²¹, 10^–21 и 10^–24 приведены по МИ 2630–2000). Так как наименование основной единицы массы само содержит приставку, производные единицы массы в виде исключения строят на основе грамма, а не килограмма. Например, концентрацию CO в воздухе выражают не в “микрокилограммах” (вообще не разрешается писать две приставки подряд), а в миллиграммах на кубометр.