4.2. Единицы измерения и системы единиц

Мы уже убедились, насколько сложна задача извлечения из эксперимента информации о физических величинах (наблюдаемых) и их взаимосвязях. Любой эксперимент, как правило, состоит из многократных измерений. Всякое же однократное измерение представляет собой прямое или косвенное сравнение измеряемой физической величины с другой однотипной величиной – эталоном. Во-первых, чтобы его осуществить, необходимо, выбрать образец или стандартный процесс, для которого исследуемая физическая величина принимается равной единице, т. е. сам эталон. Во-вторых, необходимо установить способ сравнений данной величины с эталоном. В-третьих, нужно указать способ сложения эталонов. Эти этапы выполняются один за другим по порядку, поскольку они должны способствовать получению объективной информации о физических величинах и удовлетворять требованиям, обеспечивающим повторяемость, однозначность, сравнимость результатов измерения и тому подобное.

Можно было бы выбрать свой эталон для измерения каждой физической величины. Однако на практике выбирают эталоны только для какого-то небольшого числа физических величин. Эталоны этих величин или их дробные доли принимаются за основные единицы измерения. Совокупность единиц измерения, базирующаяся на определенном наборе основных единиц, называется системой единиц.

Выбор основных единиц определяется, прежде всего, простотой установления, воспроизведения и хранения их эталонов, а в остальном он произволен. Необходимо только позаботиться о том, чтобы основные единицы были связаны с физическими величинами, имеющими достаточно общий характер. Число основных единиц по возможности должно быть минимальным. Разумеется, при любом выборе совокупности основных единиц ее непротиворечивость и полнота могут быть обоснованы лишь всеми нашими знаниями о природе. Что касается относительной величины основных единиц, то здесь никаких оснований для выбора нет. Обычно ссылаются на соображения удобства, но они могут быть различными в разных областях физики. С этой точки зрения любой выбор единиц оказывается «неудобным», если эти единицы применять во всем диапазоне возможных значений физической величины. Это обстоятельство является реальным препятствием к любой унификации единиц.

Сейчас в задачах наиболее часто употребима Международная система единиц (СИ). Она основана на наборе основных единиц, отвечающих измерению наиболее фундаментальных физических величин: длины, массы, промежутка времени, электрического тока и температуры. Для них существует специальная метрологическая служба, следящая за их совершенством, и установлены современные эталоны. В то же время очень часто используется и целый ряд внесистемных единиц измерения.

4.3. Возникновение систем мер.

Наиболее широкое распространение единицы и меры получили в древних культурных странах: Китае, Вавилонии, Египте. Так, например, в Вавилонии (2000 лет до н.э.) было принято сутки делить на 24 часа, час на 60 мин, минуту на 60 сек. Вавилонские меры (локоть и т.п.) перешли в Грецию, Рим и позднее в другие страны Европы. С течением времени меры усовершенствовались, узаконивались, создавались единые меры для городов, местностей, княжеств и т.п. По мере развития ремесел, торговли и особенно науки возникла необходимость в единых мерах для данного района, страны и ряда стран. В средние века лицом, устанавливающим единые меры, был правитель данной страны. Древние египтяне использовали для измерения длины меру “локоть” – длину от локтя до вытянутых пальцев руки фараона. Эту длину применили при постройки египетских пирамид. Так как у разных фараонов длина эта оказывалась различной, египтяне устанавливали образцы локтя, изготовленные из каменных брусков. Король Англии Генрих I установил ярд – расстояние от кончика носа до большого пальца вытянутой руки.

До средних веков были известны измерения времени, расстояний, площадей, углов, измерения объема и массы и др. В XIV-XVI вв. происходит интенсивное развитие ремесел, науки, искусств, архитектуры, появилась необходимость измерения вновь открываемых величин.