Sevres.science / Układ SI

Międzynarodowy Układ Jednostek Miar

Stałe, jednostki podstawowe, cała reszta

Regulaminem układu jest SI Brochure (Broszura SI), wydawana przez Międzynarodowe Biuro Miar (BIPM) w Sèvres. Obecne, dziewiąte wydanie opisuje układ w kształcie, jaki ma od 20 maja 2019 roku, gdy wszystkie jednostki zdefiniowano na nowo przez stałe. Główny Urząd Miar wydał jej oficjalne polskie tłumaczenie.

Wśród siedmiu stałych definiujących są prędkość światła, stała Plancka i ładunek pojedynczego protonu. Ich wartości są dokładne z mocy umowy. Wynika z nich siedem jednostek podstawowych: sekunda, metr, kilogram, amper, kelwin, mol i kandela.

Jednostki pochodne: 22 z własną nazwą

Każda inna jednostka jest połączeniem jednostek podstawowych. Prędkość to metry na sekundę, gęstość – kilogramy na metr sześcienny. Niektórych połączeń używa się tak często, że dostały własną nazwę i symbol. Układ SI zna ich 22.

To radian i steradian (kąty), herc (częstotliwość), niuton (siła), paskal (ciśnienie), dżul (energia), wat (moc), kulomb (ładunek elektryczny), wolt, farad, om, simens, weber, tesla i henr (elektryczność i magnetyzm), stopień Celsjusza (temperatura), lumen i luks (światło), bekerel, grej i siwert (promieniotwórczość i dawka promieniowania) oraz katal (aktywność katalityczna).

Nazwa jest skrótem, a nie nowym pojęciem. Jeden niuton to po prostu 1 kg m s⁻²: siła, która co sekundę zwiększa prędkość jednego kilograma o metr na sekundę.

Przedrostki: od quecto do quetta

Przedrostki mnożą jednostkę przez potęgi dziesięciu, żeby ta sama jednostka mogła opisać wirusa i galaktykę. Kilometr to 10³ m, nanosekunda to 10⁻⁹ s. Przedrostków SI jest 24, od quecto (10⁻³⁰) do quetta (10³⁰).

Cztery najnowsze przyjęła w listopadzie 2022 roku 27. Generalna Konferencja Miar: ronna (R, 10²⁷) i quetta (Q, 10³⁰), a jako ich małe odpowiedniki ronto (r, 10⁻²⁷) i quecto (q, 10⁻³⁰). BIPM spodziewa się, że duże przedrostki przydadzą się do wyrażania ilości informacji cyfrowej.

Przedrostki SI to zawsze potęgi dziesięciu. Przedrostki dwójkowe znane z informatyki, takie jak kibi (2¹⁰) i mebi (2²⁰), są osobne i nie należą do SI. Zasady zapisu przedrostków opisujemy na stronie Zapis jednostek.

Jednostki używane obok SI

Niektóre znane jednostki nie należą do SI, ale są oficjalnie dopuszczone do stosowania razem z nim, bo są zbyt przydatne, by z nich rezygnować. To między innymi minuta, godzina i doba, stopień kątowy, hektar, litr, tona, elektronowolt, decybel i jednostka astronomiczna.

Kto czuwa nad SI

Podstawą SI jest traktat: Konwencja Metryczna z 1875 roku. Jej państwa członkowskie spotykają się na Generalnej Konferencji Miar (CGPM), która podejmuje decyzje o układzie. Zgodnie z Konwencją zbiera się co najmniej raz na sześć lat.

Między konferencjami pracami kieruje Międzynarodowy Komitet Miar (CIPM): osiemnastu metrologów z różnych krajów, wspieranych przez komitety doradcze dla poszczególnych dziedzin. BIPM w Sèvres jest stałym laboratorium i sekretariatem całej tej struktury.

Każdy kraj ma własny krajowy instytut metrologiczny, który przenosi SI do laboratoriów, przemysłu i handlu. W Polsce jest nim Główny Urząd Miar; Polska przystąpiła do Konwencji Metrycznej w 1925 roku.

Dlaczego układ nazywa się spójnym

SI jest układem spójnym: jednostki pochodne powstają z podstawowych bez dodatkowego mnożnika. Jeden niuton to kilogram razy metr na sekundę do kwadratu, a jeden dżul to niuton razy metr, za każdym razem z liczbą 1. Dlatego wzory fizyki działają wprost w jednostkach SI, bez współczynników przeliczeniowych.

Jednostki spoza SI łamią ten schemat. Godzina to 3600 sekund, a litr to tysięczna część metra sześciennego, więc rachunki z nimi wymagają mnożnika. W codziennym życiu są dopuszczone, ale nauka zwykle posługuje się jednostkami spójnymi.

Jak układ SI trafia do kuchennej wagi

Pomiar jest tak dobry, jak łańcuch, który łączy go z definicją jednostki. Krajowe instytuty metrologiczne realizują jednostki albo przechowują wzorce wzorcowane względem nich. Akredytowane laboratoria wzorcujące wzorcują swoje przyrządy odniesienia względem tych wzorców, a producenci i użytkownicy – swoje przyrządy względem laboratoriów. Każde ogniwo jest udokumentowane razem z niepewnością. Ten nieprzerwany łańcuch nazywa się spójnością pomiarową.

W przypadku kilograma każdy instytut, który realizuje definicję, może przekazywać jednostkę od własnych pierwotnych wzorców masy, a BIPM przekazuje ją od średniej ze swojego zestawu jednokilogramowych wzorców odniesienia.

Jedno świadectwo, uznawane wszędzie

Od 1999 roku porozumienie CIPM o wzajemnym uznawaniu (CIPM MRA) pozwala krajowym instytutom metrologicznym uznawać nawzajem swoje wzorce i świadectwa wzorcowania. Opiera się na porównaniach kluczowych, w których instytuty mierzą ten sam wędrujący wzorzec i publikują, na ile ich wyniki są zgodne, oraz na wykazach możliwości pomiarowych i wzorcowania każdego instytutu.

Wyniki są jawne. BIPM prowadzi bazę porównań kluczowych KCDB, w której każdy może sprawdzić porównania i możliwości poszczególnych instytutów.