Естественные системы единиц

При построении систем единиц физических величин давно наблюдалось стремление к выбору в качестве основных «естественных единиц». Эти единицы доступны на определенном уровне науки и техники, а их эталоны неуничтожимы. Если воспроизведение таких единиц будет достаточно точным, их стабильность во времени будет гарантирована.

При создании метрической системы («системы мер и весов», где под «мерами» понимали единицы длины, а под «весом» – единицы массы) за основу взяли длину окружности Земли. Метр был определен как 1/10000000 часть длины четверти Парижского меридиана, килограмм – как масса одного кубического дециметра воды при ее наивысшей плотности (температура воды 4 ^оС). Земля и вода представлялись неуничтожимыми и стабильными. 10 декабря 1799 года во Франции ввели новую («метрическую») систему единиц. Тогда же была отчеканена посвященная этому событию медаль с надписью «На все времена, для всех народов» (другой известный перевод – «Для всех времен и народов»). Главным эталоном системы была платиновая концевая мера длины (длина 1 м).

Однако правильность исходного объекта (форма Земли) оставляла желать лучшего. Кроме того, точность измерения длины исходного объекта была недостаточно высокой, в результате при повышении точности измерений следовало или менять размеры единиц или отказываться от их «естественного» происхождения. В метрической системе было принято именно последнее решение – за метр была принята длина платиновой концевой меры («метра архива»), а за килограмм – масса платиновой гири («килограмма архива»).

В физике неоднокразтно разрабатывались «естественные системы единиц», основанные на использовании для основных единиц универсальных физических постоянных (констант). М.Планк предложил систему единиц, в основу которой были положены гравитационная постоянная, скорость света, постоянная Планка и постоянная Больцмана. Хартри разработал «систему атомных единиц», в которой за основные приняты заряд электрона, масса электрона, радиус первой боровской орбиты атома водорода и постоянная Планка. В этой системе единиц уравнения ядерной физики освобождаются от лишних числовых множителей и приобретают более простой вид. Для релятивистской квантовой механики иногда пользуются системой, в которой основными единицами являются постоянная Планка, скорость света и масса какой-либо элементарной частицы (электрона или протона). В качестве четвертой единицы принимают постоянную Больцмана. Предлагались и другие «естественные системы единиц», но все они широкого распространения не получили. Основная причина ограниченного применения подобных систем в том, что точность измерений предлагаемых констант не обеспечивает требуемого уровня точности установления ряда основных и производных единиц.

В некоторых источниках говорится, что размеры единиц делают «естественные системы единиц» неудобными для практического применения, но это не очень корректный довод. В Международной системе единиц единица длины (метр) определена через скорость света, а секунда – через миллиарды периодов излучения цезия-133, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома.

Из приведенных примеров видно, что и сверхбольшие физические величины (скорость света), и сверхмалые (период излучения атома цезия-133) вполне могут быть использованы для построения удобных единиц основных величин, если только точность воспроизведений их с помощью эталонов будет достаточно высокой. Для воспроизведения основных единиц СИ используются физические константы и высокостабильные ядерные явления. Этот подход сближает «искусственные» и «естественные» системы единиц физических величин.