Основные единицы системы СИ и их реализация

Международная система единиц измерения физических величин (СИ) была установлена в международных масштабах в 1960 г. и введена в нашей стране в качестве основной с 1 января 1963 г. Главными механическими единицами являются единица длины – метр, единица массы – килограмм и единица времени – секунда. Основой СИ явилась метрическая система мер и весов, введённая во Франции 10 декабря 1799 г.

В качестве единицы длины (метр) была первоначально принята величина, равная 10^–7 от одной четвёртой части меридиональной окружности Земли. Длина отрезка была измерена французскими астрономами, и на этой основе был изготовлен платиноиридиевый эталон меры длины. С тех пор метр считался определённым через этот эталон, который, как оказалось впоследствии, на 0,2 мм короче задуманной величины (10^–7 от одной четвёртой части меридиана). Однако в отношении этого эталона не было уверенности, что его длина не будет слабо изменяться в силу явлений перекристаллизации материала. Предполагают, что между 1889 и 1957 гг. эталон укоротился на 0,5 мкм. Кроме того, значительно возросли требования к точности измерений.

Успехи в развитии оптики и атомной физики позволили сопоставить метр с длиной светового излучения, создать новый эталон. Сравнительно недавно один метр определяли как 1 650 763,730 длин волн для излучения, соответствующего переходу между определёнными уровнями атомов криптона-86. С 1983 г. принято новое определение, согласно которому один метр представляет расстояние, проходимое светом в вакууме за время, равное 1/299792458 доли секунды.

Понятие массы впервые появилось в разделе механики – «Динамика». Масса определяет количественную связь между силой и ускорением, а также инертность тела. Отношение модулей ускорений двух взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Таким образом, измерить массу тела можно, сравнив его инертные свойства с инертностью эталонного тела. Масса – это единственная основная единица СИ, связанная с существованием искусственно созданного эталона, который может быть выбран свободно. Эталон 1 кг массы представляет собой находящийся в Севре (близ Парижа) цилиндр из сплава иридия и платины. Первоначально эталон массы должен совпадать с массой 1 дм³ воды при температуре наибольшей плотности (3,98ºС), однако платиноиридиевый эталон оказался на 28 мкг больше, чем было задумано. На практике гораздо чаще сравнивают гравитационные свойства массы путём взвешивания, однако есть случаи, когда массу можно определить только через ускорения (определение масс тел в условиях невесомости, определение масс планет и др.).

Единица времени не поддаётся хранению: время бежит безостановочно. Время представляет непрерывно изменяющуюся независимую переменную, фигурирующую во втором законе Ньютона. Все старые определения шкалы времени основывались на видимом движении звёзд по небу. До 1967 г. единица времени – секунда – определялась как некоторая часть тропического года (времени последовательного прохождения Солнца через точку весеннего равноденствия) в 1900 г. Современное значение одной секунды равно продолжительности 9 192 631 770 колебаний излучения цезия-133 при определённом переходе. При измерении времени, не требующем большой точности, используют другие колебательные процессы – колебания механических маятников, электрических приборов генераторов и др.