Базовая единица измерения

Единица измерения, принятая по соглашению для базовой величины.

Базовая единица измерения (также называемая базовой единицей или фундаментальной единицей ) — это единица измерения, принятая для базовой величины . Базовая величина — это одна из традиционно выбранных подмножеств физических величин , в которой ни одна величина из этого подмножества не может быть выражена через другие. Базовые единицы СИ , или Международная система единиц , состоят из метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, моля и канделы.

Единичное кратное (или кратное единице ) представляет собой целое число, кратное данной единице; аналогично единичное дробное (или дробное единицы ) является дробным или единичной долей данной единицы. ^[1] Префиксы единиц представляют собой общие кратные и дробные степени единиц по основанию 10 или 2.

В то время как базовая единица - это единица, которая была четко обозначена, ^[2] производная единица - это единица производной величины , включающая комбинацию величин с различными единицами; ^[1] несколько производных единиц СИ имеют специальные названия. Когерентная производная единица не требует коэффициентов пересчета .

Фон

На языке измерений физические величины — это измеримые аспекты мира, такие как время , расстояние , скорость , масса , температура , энергия и вес , а единицы измерения используются для описания их величины или количества. Многие из этих величин связаны друг с другом различными физическими законами, и в результате единицы величин обычно могут быть выражены как произведение степеней других единиц; например, импульс — это масса, умноженная на скорость, а скорость — это расстояние, деленное на время. Эти отношения обсуждаются в анализе размерностей . Те, которые могут быть выражены таким образом через базовые единицы, называются производными единицами .

Международная система единиц

В Международной системе единиц (СИ) существует семь основных единиц: килограмм , метр , кандела , секунда , ампер , кельвин и моль . Было определено несколько производных единиц, многие из которых имеют специальные названия и символы.

В 2019 году семь базовых единиц СИ были переопределены с точки зрения семи определяющих констант. Поэтому базовые единицы СИ больше не нужны, но были сохранены по историческим и практическим причинам. ^[3] См. новое определение базовых единиц СИ в 2019 году .

Натуральные единицы

Набор основных размерностей величины — это минимальный набор единиц, через который можно выразить любую физическую величину. Традиционными базовыми размерностями являются масса , длина , время , заряд и температура , но в принципе можно использовать и другие основные величины. Вместо заряда можно использовать электрический ток , а вместо длины — скорость . Некоторые физики не признают температуру в качестве основного измерения, поскольку она просто выражает энергию на частицу на степень свободы, которая может быть выражена через энергию (или массу, длину и время). ^[4] Дафф утверждает, что только безразмерные величины имеют физический смысл, а все размерные единицы являются человеческими конструкциями. ^[5]

Существуют и другие отношения между физическими величинами, которые могут быть выражены посредством фундаментальных констант, и в некоторой степени решение о том, сохранять ли фундаментальную константу как величину с размерностями или просто определять ее как единицу или фиксированное безразмерное число , является произвольным. и уменьшите количество явных базовых величин на одну. Онтологический вопрос заключается в том , действительно ли эти фундаментальные константы существуют как размерные или безразмерные величины. Это эквивалентно тому, чтобы рассматривать длину как то же самое, что и время, или понимать электрический заряд как комбинацию величин массы, длины и времени, что может показаться менее естественным, чем думать о температуре как об измерении того же материала, что и энергия (что выражается в терминах масса, длина и время).

Например, время и расстояние связаны друг с другом скоростью света c , которая является фундаментальной константой. Это соотношение можно использовать для исключения базовой единицы времени или расстояния. Аналогичные соображения применимы к постоянной Планка h , которая связывает энергию (размерность которой выражается через массу, длину и время) с частотой (размерность которой выражается через время). В теоретической физике принято использовать такие единицы (натуральные единицы), в которых c = 1 и ħ = 1 . Аналогичный выбор можно применить к диэлектрической проницаемости вакуума ε ₀ .

• Можно было исключить либо метр, либо секунду, установив c равным единице (или любому другому фиксированному безразмерному числу).
• Тогда можно было бы исключить килограмм, присвоив ħ безразмерное число.
• Можно было бы исключить ампер, установив безразмерное число либо для диэлектрической проницаемости вакуума ε ₀ , либо для элементарного заряда e .
• Можно исключить моль как базовую единицу, установив константу Авогадро NA _равной 1. Это естественно, поскольку это техническая масштабная константа.
• Можно было бы исключить кельвин, поскольку можно утверждать, что температура просто выражает энергию, приходящуюся на частицу на степень свободы , которая может быть выражена через энергию (или массу, длину и время). Другими словами, константа Больцмана k _B является технической масштабной константой, и ей можно присвоить фиксированное безразмерное число.
• Точно так же можно исключить канделу, поскольку она определяется через другие физические величины через техническую масштабную константу K _cd .
• Остаётся одно базовое измерение и связанная с ним базовая единица, но остаётся несколько фундаментальных констант, чтобы исключить и это – например, можно использовать G , гравитационную постоянную , me _, массу покоя электрона , или Λ, космологическую постоянную .

Предпочтительный выбор зависит от области физики. Использование натуральных единиц оставляет каждую физическую величину выраженной в виде безразмерного числа, что отмечают физики, оспаривающие существование несовместимых основных величин. ^{[5] [6] [7]}

Смотрите также

• Характеристические единицы
• Размерный анализ
• Натуральные единицы
• Один блок)

Рекомендации

1. «ISO 80000-1:2009». Международная Организация Стандартизации . Архивировано из оригинала 2 июля 2019 г. Проверено 15 сентября 2019 г.
2. Тейлор, Барри Н.; Томпсон, Эмблер (2008). Международная система единиц (СИ). Вашингтон, округ Колумбия: Министерство торговли США. п. 56 (10-я ГКМВ, 1954 г., Резолюция 6).
3. «9-е издание брошюры SI». МБМВ. 2019. Архивировано из оригинала 19 апреля 2021 года . Проверено 20 мая 2019 г.
4. Куинси, Пол; Браун, Ричард Дж. К. (01 августа 2017 г.). «Более четкий подход к определению систем единиц». Метрология . 54 (4): 454–460. arXiv : 1705.03765 . дои : 10.1088/1681-7575/aa7160. ISSN  0026-1394.
5. Майкл Дафф (2015). «Насколько фундаментальны фундаментальные константы?» . Современная физика . 56 (1): 35–47. arXiv : 1412.2040 . Бибкод : 2015ConPh..56...35D. дои : 10.1080/00107514.2014.980093. hdl : 10044/1/68485. S2CID  118347723. Архивировано из оригинала 22 ноября 2021 г. Проверено 3 апреля 2020 г.
6. Джексон, Джон Дэвид (1998). «Приложение о единицах измерения и размерах» (PDF) . Классическая электродинамика . Джон Уайли и сыновья. п. 775. Архивировано из оригинала (PDF) 13 января 2014 года . Проверено 13 января 2014 г. Произвольность числа фундаментальных единиц и размеров любой физической величины в этих единицах подчеркивали Абрахам, Планк, Бриджмен, Бирдж и другие .
7. Бирдж, Раймонд Т. (1935). «Об установлении основных и производных единиц, с особым упором на электрические единицы. Часть I». (PDF) . Американский журнал физики . 3 (3): 102–109. Бибкод : 1935AmJPh...3..102B. дои : 10.1119/1.1992945. Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 года . Проверено 13 января 2014 г. Однако из-за произвольного характера измерений, столь умело представленного Бриджменом, выбор и количество фундаментальных единиц произвольны.