До конца XVIII столетия в Европе царил настоящий хаос в измерениях. Единицы физических величин не были согласованы между странами и регионами, что создавало огромные трудности. Расстояния, к примеру, измеряли самыми причудливыми способами: от «пяди» (расстояния между растопыренными большим и указательным пальцами) и длины «трех ячменных зерен» (дюйм) до «локтя», «волоса мула» и даже специального железного стержня — туаза. Подобный разнобой наблюдался повсеместно: существовали десятки разных футов и более сотни различных фунтов для измерения веса. Такая неразбериха серьезно тормозила развитие торговли, науки и культурного обмена, что в итоге привело к осознанию острой необходимости в создании единой, универсальной системы мер.
Идея, рожденная из природы
Ученые того времени выдвинули прогрессивную идею: чтобы стать по-настоящему международными, единицы измерений должны быть взяты непосредственно из природы, а не быть произвольными человеческими установлениями. Подобно тому, как единицы времени (час, минута, секунда) изначально были общими для многих народов, основанные на природных константах меры могли бы стать всеобщим стандартом.
Рождение метрической системы
Первый решительный шаг был сделан во Франции. В 1790 году там был утвержден декрет о реформе мер. Основой новой системы стали две единицы, привязанные к природным величинам: метр (определенный как одна десятимиллионная часть четверти Парижского меридиана, то есть расстояния от полюса до экватора) и килограмм (масса одного кубического дециметра воды при температуре 4°C). Так появилась первая в истории метрическая система мер — система взаимосвязанных единиц. Однако ее первоначальный охват был ограничен: она позволяла измерять только длину, площадь, объем и массу.
От разрозненных мер к системам единиц
Прорывную идею, которая расширила принципы метрической системы, предложил в 1832 году немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс. Он понял, что можно создать целостную систему единиц, выбрав несколько независимых основных единиц, а все остальные (производные) определять через них с помощью физических законов. Например, зная единицы длины и времени, можно вывести единицу скорости. Гаусс в качестве основы взял миллиметр, миллиграмм и секунду. Эта идея оказалась чрезвычайно плодотворной, хотя выбранные им конкретные единицы были не слишком удобны для практики.
Вслед за этим стали появляться другие системы, названные по первым буквам своих основных единиц: СГС (сантиметр, грамм, секунда), МТС (метр, тонна, секунда), МКС (метр, килограмм, секунда) и МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда). Множественность систем создавала новые проблемы: усложняла технические расчеты, затрудняла обучение и международное научное сотрудничество.
Триумф унификации: система СИ
Необходимость в глобальном стандарте привела к историческому решению. В 1960 году на XI Генеральной конференции по мерам и весам была утверждена Международная система единиц (СИ). В ее основе лежат семь строго определенных основных единиц: метр (длина), килограмм (масса), секунда (время), ампер (сила электрического тока), кельвин (термодинамическая температура), моль (количество вещества) и кандела (сила света). К ним добавлены две дополнительные единицы для измерения углов — радиан и стерадиан. Все остальные тысячи единиц (например, ньютон, джоуль, ватт) являются производными и выводятся из основных с помощью формул, отражающих физические законы.
Ключевые преимущества системы СИ
Успех и повсеместное принятие системы СИ обусловлены тремя фундаментальными принципами:
1. Универсальность. Система СИ охватывает все области науки и техники, позволяя полностью отказаться от других систем и внесистемных единиц. Это единый язык для физиков, инженеров и химиков по всему миру.
2. Унифицированность. Одна и та же единица в СИ может использоваться для измерения разных форм однородной физической величины. Яркий пример — джоуль, который является единицей и для механической работы, и для энергии, и для количества теплоты.
3. Когерентность (согласованность). Это, пожалуй, самое важное техническое преимущество. Все производные единицы получаются из основных путем умножения или деления без введения числовых коэффициентов. Это кардинально упрощает все физические и инженерные расчеты, а также запись формул.
Наука, которая занимается всеми вопросами измерений, обеспечением их единства и требуемой точности, называется метрологией. Практическое единство измерений по всему миру обеспечивается через создание и поддержание высоточных образцов — эталонов единиц физических величин.