Естественные системы единиц

При построении систем единиц физических величин давно наблюдалось стремление к выбору в качестве основных «естественных единиц», на основе которых можно создавать неуничтожимые эталоны.

В 1799 году во Франции ввели новую («метрическую») систему единиц. Главным эталоном системы была платиновая концевая мера длины (длина 1 метр). Была специально отчеканена посвященная этому событию медаль с надписью «На все времена, для всех народов» (другой известный перевод – «Для всех времен и народов»). При создании метрической системы («системы мер и весов», где под «мерами» понимали единицы длины, а под «весом» – единицы массы) за основу была взята длина окружности Земли. Метр был определен как часть длины Парижского меридиана (1/10 000 000 четверти меридиана), килограмм – как масса одного кубического дециметра воды при ее наивысшей плотности (температура воды 4 ^оС).

Земля и вода представлялись неуничтожимыми и стабильными. Однако правильность исходного объекта (форма Земли) оставляла желать лучшего и точность измерения длины меридиана была недостаточно высокой. В результате при повышении точности и объективности измерений следовало менять размеры единиц или отказываться от их «естественного» происхождения. Специалисты приняли именно последнее решение – метр определили как длину платиновой концевой меры («метра архива»), а килограмм как массу платиновой гири («килограмма архива»).

В физике неоднократно разрабатывались «естественные системы единиц», основанные на использовании для образования 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.

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 физических величин единица длины (метр) сейчас определена через скорость света, а секунда – через миллиарды периодов излучения цезия-133, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома. Этот подход сближает «искусственные» и «естественные» системы единиц физических величин. Из приведенных примеров видно, что и сверхбольшие физические величины (скорость света), и сверхмалые (период излучения атома цезия-133) могут быть вполне успешно использованы для построения удобных единиц основных величин, если только точность воспроизведения их с помощью эталонов будет достаточно высокой.