Міжнародна система величин

Міжнаро́дна систе́ма величи́н (ISQ) (англ. International System of Quantities, ISQ)  — система величин, заснована на підмножині семи основних величин: довжини, маси, часу, сили струму, термодинамічної температури, кількості речовини та сили світла. Всі інші величини є похідними і можуть бути виражені через основні, спираючись на фізичні рівняння, які називають рівняннями зв'язку. На основі Міжнародної системи величин побудовано Міжнародну систему одиниць (SI).

Позначення "ISQ" у всіх мовах розглядається як символічне позначення Міжнародної системи величин.

Міжнародна система величин			Міжнародна система одиниць (SI)
Основна величина	Символ величини	Символ розмірності	Одиниця SI	Символ одиниці SI український, міжнародний
довжина	$l$	${\mathsf {L}}$	метр	м, m
маса	$m$	${\mathsf {M}}$	кілограм	кг, kg
час	$t$	${\mathsf {T}}$	секунда	с, s
сила струму	$I$	${\mathsf {I}}$	ампер	A, A
термодинамічна температура	$T$	${\mathsf {\Theta }}$	кельвін	K, K
кількість речовини	$n$	${\mathsf {N}}$	моль	моль, mol
сила світла	$I_{\text{v}}$	${\mathsf {J}}$	кандела	кд, cd

Особливості Міжнародної системи величин

Міжнародна система величин з рівняннями зв'язку включно є сукупністю добре відомих науковцям, технологам та інженерам величин і рівнянь фізики. Особливістю цієї системи для електромагнітних величин є введення електричної сталої $\varepsilon _{0}$ (застаріла назва — «діелектрична проникність вакууму») та магнітної сталої $\mu _{0}$ (застаріла назва — «магнітна проникність вакууму»). Ці сталі мають розмірності та значення, відмінні від одиниці, і такі, що $\varepsilon _{0}\cdot \mu _{0}=1/c^{2}$, де $c$ — швидкість світла у вакуумі. Закон Кулона для сили взаємодії двох частинок з електричними зарядами $q_{1}$ та $q_{2}$, відстань між якими $r$, має вигляд:

$\mathbf {\vec {F}} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}{\vec {r}}}{r^{3}}}$.

Відповідне рівняння для сили магнітної взаємодії між елементами струмів $I_{1}d{\vec {r_{1}}}$ та $I_{2}d{\vec {r_{2}}}$ двох нескінченно тонких провідників задається виразом:

$\mathrm {d} ^{2}{\vec {F}}={\mu _{0}I_{1}I_{2} \over 4\pi }{\frac {[d{\vec {r_{1}}},[d{\vec {r_{2}}},{\vec {r}}]]}{r^{3}}}$.

Ці рівняння в Міжнародній системі величин відрізняються від рівнянь для електромагнітних величин в різних варіантах системи СГС, в яких $\varepsilon _{0}$ і $\mu _{0}$ — безрозмірнісні величини зі значенням, рівним одиниці, а коефіцієнт $4\pi$ відсутній.

Стандартизація Міжнародної системи величин

Міжнародну систему величин встановлено в серії міжнародних стандартів ISO 80 000 та IEC 80 000 «Величини та одиниці».

Кількість величин з розвитком науки і техніки постійно збільшується і є практично нескінченною. Таким чином, в стандартах неможливо перерахувати всі величини і відношення між ними. Тому в зазначених стандартах представлений набір найчастіше використовуваних величин і відношень між ними. Порядкові величини, наприклад, твердість, та номінальні властивості на кшталт кольору світла не розглядаються як частина системи, оскільки вони пов'язані з іншими величинами лише за допомогою емпіричних зв'язків.

Розмірність величин в Міжнародній системі величин

Розмірність основних величин в Міжнародній системі величин позначається відповідними символами розмірності: наприклад, розмірність довжини $dim\ l=L$. Розмірність будь-якої похідної величини $X$ цієї системи через розмірності основних величин дається виразом:

$dim\ X=L^{\alpha }\cdot M^{\beta }\cdot T^{\gamma }\cdot I^{\delta }\cdot \Theta ^{\eta }\cdot N^{\kappa }\cdot J^{\lambda }$,

де верхні індекси — додатні, від'ємні або рівні нулю показники степенів.

Так, швидкість $v$ є похідною величиною в Міжнародній системі величин. Вона пов'язана з основними рівняням зв'язку $v=dl/dt$. Тоді $dim\ v=L^{1}\cdot M^{0}\cdot T^{-1}\cdot I^{0}\cdot \Theta ^{0}\cdot N^{0}\cdot J^{0}=L^{1}\cdot T^{-1}$.

Міжнародна система одиниць

Міжнародна система одиниць SI — система одиниць, що базується на Міжнародній системі величин, разом з найменуваннями та позначеннями, а також набором префіксів та їх найменуваннями та позначеннями разом з правилами їх застосування, прийнята XI Генеральною конференцією мір і ваг 1960 року. На подальших конференціях вносилися зміни. Використовується в більшості країн світу, в тому числі й в Україні, як основна система. Головна мета впровадження — уніфікація одиниць вимірювання з різних галузей науки й техніки та усунення труднощів, пов'язаних з використанням значної кількості коефіцієнтів через перерахунки між ними, і зі створенням великої кількості еталонів для відтворення одиниць.

Основними одиницями системи SI є одиниці основних величин Міжнародної системи величин: довжини — метр, одиниця маси — кілограм, одиниця часу — секунда, одиниця сили електричного струму — Ампер, одиниця термодинамічної температури — Кельвін, одиниця кількості речовини — моль, одиниця сили світла — кандела.

Система SI постійно розвивається і вдосконалюється. На 2019 рік заплановано реформу системи, яка полягатиме в перевизначенні основних одиниць без зміни їх розміру через фундаментальні фізичні сталі, значення яких планується зафіксувати точно. Реформа веде в перспективі не лише до суттєвого підвищення точності та взаємоузгодженості вимірювань, але й до докорінних змін в методології відтворення ряду одиниць, необхідності нових підходів до побудови еталонної бази, зокрема, повної відмови від еталонів — артефактів.

Критика

Незважаючи на широке використання Міжнародної системи величин, в багатьох наукових роботах, особливо з електродинаміки, використовується система СГС, що зумовлено низкою недоліків Міжнародної системи величин, на які вказують М. О. Леонтович, С. П. Капиця, Д. В. Сивухін, Л. Б. Окунь та ряд інших фізиків. Зазначається, що Міжнародна система величин та система СГС еквівалентні для багатьох розділів фізики, але в електродинаміці в Міжнародній системі виникають величини, успадковані з теорії ефіру як матеріального середовища, які не мають безпосереднього фізичного змісту — електрична та магнітна сталі. Внаслідок цього напруженість електричного поля ${\vec {E}}$ та електрична індукція ${\vec {D}}$, напруженість магнітного поля ${\vec {H}}$ та магітна індукція ${\vec {B}}$ мають різні розмірності. Це призводить до неприродного «роздвоєння» вже у вакуумі напруженості та індукції електричного та магнітного полів. В матеріальних середовищах вводиться непотрібне розділення електричної та магнітної проникності на відносні та абсолютні.

Теорія відносності показала, що поділ електромагнітного поля на електричне та магнітне відносний, оскільки залежить від вибору системи відліку. Виявилося, що вектори ${\vec {E}}$ та ${\vec {B}}$ об'єднуються в один антисиметричний тензор четвертого рангу, а вектори ${\vec {D}}$ та ${\vec {H}}$ — в інший. Оскільки компоненти одного й того ж тензора повинні мати однакові розмірності, необхідно, щоби мали однакові розмірності всі чотири вектори напруженості та індукції. Міжнародна система величин цій вимозі не відповідає.

Все зазначене може дати підстави для введення неправильних уявлень про суть електричного та магнітного полів, створює певні труднощі при викладанні фізики.

Слід зазначити, що наведені недоліки є недоліками власне Міжнародної системи величин, а не Міжнародної системи одиниць (SI), і ніяким чином не впливають на роль та значущість останньої.

Див. також

• Фізична величина
• Система величин
• Система одиниць
• Міжнародна система одиниць (SI)