Основные единицы СИ

Основные единицы Международной системы единиц (СИ) — семь основных единиц измерения основных физических величин СИ. Эти величины — длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Единицы измерения для них — основные единицы СИ — метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела соответственно^[1][2].

Семь основных единиц

Основные единицы СИ определяет Международное бюро мер и весов (МБМВ). Полное официальное описание основных единиц СИ, а также СИ в целом вместе с её толкованием, содержится в действующей редакции Брошюры СИ, опубликованной МБМВ и представленной на его сайте^[3].

Основные единицы

В таблице представлены все основные единицы СИ вместе с их определениями, российскими и международными обозначениями, физическими величинами, к которым они относятся, а также с кратким обоснованием их происхождения.

Основные единицы СИ

Единица	Обозна­чение	Величина	Определение[4]	Историческое происхождение, прежние определения
Секунда	с s	Время	Величина секунды устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц[к 1].	Солнечные сутки разбиваются на 24 часа, каждый час разбивается на 60 минут, каждая минута разбивается на 60 секунд. Секунда — это 1⁄(24 × 60 × 60) или 1/86400 часть солнечных суток. Современное определение принято на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 году.
Метр	м m	Длина	Величина метра устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1[к 2].	1⁄10,000,000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа. Современное определение установлено XVII ГКМВ в 1983 г.
Килограмм	кг kg	Масса	Величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равным в точности 6,626 070 15 × 10−34, когда она выражена в Дж⋅с.	Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря. В течение более чем двухсот лет эталоном килограмма служили материальные образцы — Архивный килограмм, затем Международный прототип килограмма.
Ампер	А A	Сила электри­ческого тока	Величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного заряда e равным 1,602 176 634 × 10−19, когда он выражен в кулонах.	Предыдущее определение, восходящее к изначальному: ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2⋅10−7 ньютонов.
Кельвин	К K	Термодинами­ческая температура	Величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана k равным в точности 1,380 649 × 10−23, когда она выражена в Дж/К.	В 1967—2019 годах определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды[к 3]. Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия (исторически — 1⁄100 разности температур кипения и замерзания воды при атмосферном давлении), но 0 кельвинов — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15[6]: T [°C] = T [K] − 273,15.
Моль	моль mol	Количество вещества	Один моль содержит ровно 6,022 140 76 × 1023 элементов[к 4]. Это число — фиксированное значение постоянной Авогадро NA, выраженной в единицах моль−1, и называется числом Авогадро.	Атомный вес или молекулярный вес, деленный на постоянную молярной массы, 1 г/моль. В 1971—2019 годах определялся как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 12 г.
Кандела	кд cd	Сила света	Величина канделы устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц равным в точности 683, когда она выражена единицей СИ м−2·кг−1·с3·кд·ср или кд·ср·Вт−1, что эквивалентно лм·Вт−1.	Сила света (англ. Candlepower, устар. Британская единица силы света), испускаемая горящей свечой. Современное определение установлено XVI ГКМВ в 1979 г.

Наименования и обозначения основных единиц, так же как и всех других единиц СИ, пишутся маленькими буквами (например, метр и его обозначение м). У этого правила есть исключение: обозначения единиц, названных фамилиями учёных, пишутся с заглавной буквы (например, ампер обозначается символом А).

Основные и производные единицы

Остальные единицы СИ являются производными и образуются из основных с помощью уравнений, связывающих друг с другом физические величины используемой в СИ Международной системы величин.

Основная единица может использоваться и для производной величины той же размерности. Например, количество осадков определяется как частное от деления объёма на площадь и в СИ выражается в метрах. В этом случае метр используется в качестве когерентной^[англ.] производной единицы^{[2][к 5]}.

Определение СИ через фиксацию констант, вообще говоря, не требует различать основные и производные единицы. Тем не менее это разделение сохраняется по историческим причинам и для удобства^[8].

Совершенствование системы единиц

Основная статья: Изменения определений основных единиц СИ (2019)

С момента принятия Метрической конвенции в 1875 году определения основных единиц измерения несколько раз изменялись. С переопределения метра (1960 год) килограмм остался последней единицей, которая определяется не как свойство природы, а как физический артефакт. Тем не менее, поскольку моль, ампер и кандела были привязаны к килограмму, то и они оказывались привязанными к изготовленному людьми эталону килограмма. Длительное время метрология искала пути для определения килограмма на основе фундаментальных физических констант, так же, как метр определяется через скорость света.

В начале XXI века Международное бюро мер и весов готовило новые определения основных единиц СИ, не привязанные к материальным артефактам (эталонам). Эта работа была окончательно завершена к 2018 году, когда на XXVI Генеральной конференции по мерам и весам были приняты новые определения СИ и её основных единиц. Изменения вступили в силу в 2019 году.

Содержательно изменились определения четырёх основных единиц СИ: килограмма, ампера, кельвина и моля. Новые определения этих единиц основаны на фиксированных численных значениях следующих фундаментальных физических постоянных: постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и числа Авогадро, соответственно. Всем этим величинам приписаны точные значения, основанные на результатах наиболее точных измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA).

Формально новые определения отменили все предыдущие^[9], однако новые определения метра, секунды и канделы равносильны старым и изменены лишь для поддержания единства стиля. Определения метра и секунды уже были связаны с точными значениями таких постоянных, как скорость света и величина расщепления основного состояния атома цезия. Определение канделы хотя и не привязано к какой-либо фундаментальной постоянной, тем не менее, также может рассматриваться как связанное с точным значением инварианта природы.

Новый облик СИ

Согласно вступившему в силу в 2019 году определению, СИ — это система единиц, в которой^[10]:

• частота сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 в точности равна 9 192 631 770 Гц;
• скорость света в вакууме c в точности равна 299 792 458 м/с;
• постоянная Планка ℎ в точности равна 6,626 070 15⋅10⁻³⁴ Дж·с;
• элементарный электрический заряд e в точности равен 1,602 176 634⋅10⁻¹⁹ Кл;
• постоянная Больцмана k в точности равна 1,380 649⋅10⁻²³ Дж/К;
• число Авогадро N_A в точности равно 6,022 140 76⋅10²³ моль⁻¹;
• световая эффективность K_cd монохроматического излучения частотой 540⋅10¹² Гц в точности равна 683 лм/Вт.

Комментарии

1. Т. е. секунда — это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
2. Т. е. метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1 / 299 792 458 секунды.
3. В 2005 г. Международный комитет мер и весов установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды: 0,00015576 моля ²H на один моль ¹Н, 0,0003799 моля ¹⁷О на один моль ¹⁶О и 0,0020052 моля ¹⁸О на один моль ¹⁶О^[5]
4. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы (оговорены) и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
5. Когерентные производные единицы — производные единицы, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициент пропорциональности. Благодаря отсутствию коэффициента при расчётах, если выражать значения всех величин в единицах СИ, в формулы не требуется вводить коэффициенты, зависящие от выбора единиц. Системы единиц, в которых производные единицы образуются именно по такому принципу, называются когерентными^[7].