基本單位歷史沿革

物理量之間通過各種物理定律和有關(guān)的定義彼此建立聯(lián)系。人們往往取其中的一些作為基本物理量，以它們的單位作為基本單位，形成配套的單位體系，其他的單位可以由此推出，這就是單位制。

由于歷史的原因，世界各國(guó)一直通過有各種不同的單位體制，混亂復(fù)雜。不同行業(yè)采用的單位也不盡相同，例如：法國(guó)曾通用米-噸-秒制，英美曾通用英尺-磅-秒制，技術(shù)領(lǐng)域中采用工程單位制，即米-千克力-秒制，而物理學(xué)則習(xí)慣于厘米-克-秒(CGS)單位制。這對(duì)經(jīng)濟(jì)交往和科技工作都十分不利。為了便于國(guó)際間進(jìn)行工業(yè)技術(shù)的交流，1875年在簽署米制公約時(shí)，規(guī)定以米為長(zhǎng)度單位，以千克為質(zhì)量單位，以秒為時(shí)間單位。這就是眾所周知的米-千克-秒(MKS)單位制。

幾種電磁單位制

電磁學(xué)中單位和單位制更為混亂，幾經(jīng)變革，走過了一條曲折的道路。

早在1832年，高斯在他的著名論文《換算成絕對(duì)單位的地磁強(qiáng)度》一文中就強(qiáng)調(diào)指出：必須用根據(jù)力學(xué)中的力的單位進(jìn)行的絕對(duì)測(cè)量來代替用磁針進(jìn)行的地磁測(cè)量。他為此提出了一種以毫米、毫克和秒為基本單位的絕對(duì)電磁單位制。高斯的主張得到了W.韋伯的支持，韋伯把高斯的工作推廣到其它電學(xué)量。然而遺憾的是，電磁量實(shí)際上可以由兩個(gè)互個(gè)相容的方程系來描述，因?yàn)閮蓚€(gè)庫侖定律都可以當(dāng)作定義性方程：一個(gè)是靜電學(xué)的庫侖定律，一個(gè)是靜磁學(xué)的庫侖定律。于是出現(xiàn)了兩種“絕對(duì)”電磁學(xué)單位。19世紀(jì)50年代初，英國(guó)的W.湯姆生(開爾文)也做了類似的工作。他根據(jù)英國(guó)力學(xué)單位進(jìn)行了與電信有關(guān)的一些電測(cè)量。1861年，英國(guó)的布賴特和克拉克發(fā)表《論電量和電阻標(biāo)準(zhǔn)的形成》一文，倡議建立一種統(tǒng)一的實(shí)用單位。他們的倡議得到了W.湯姆生的支持。于是這一年英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)成立了以W.湯姆生為首的六人電標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，其宗旨是統(tǒng)一電阻和電容的標(biāo)準(zhǔn)，建立恰當(dāng)?shù)膶?shí)用單位，并確定絕對(duì)單位和實(shí)用單位的換算關(guān)系。這個(gè)委員會(huì)主張用厘米-克-秒作為基本單位，于是又形成了兩種單位制：厘米-克-秒靜電單位制(CGSE或esu)和厘米-克-秒電磁單位制(CGSM或emu)。

麥克斯韋也是這個(gè)委員會(huì)的成員。他對(duì)單位的規(guī)范和統(tǒng)一非常關(guān)心，親自作了許多實(shí)驗(yàn)，提出了不少有益的建議。例如。他在1865年寫道

“至今采用的命名方法缺點(diǎn)很多。在涉及各個(gè)測(cè)量時(shí)，我們必須說明哪個(gè)數(shù)是表示靜電單位的值還是電磁絕對(duì)單位的值。如果運(yùn)用到乘法，乘得的結(jié)果也必須加以命名，而且還必須牽涉到長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間的單位標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橛行┳髡哂冒醵行┯每?，有些用米而有些用毫米作基本單位。這樣繁瑣的命名和由此帶來錯(cuò)誤的危險(xiǎn)應(yīng)該避免”。

在六人電標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的倡議下，英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)決定采用如下一些實(shí)用單位：電阻用歐姆，1歐姆＝10e9厘米-克-秒電磁單位制的電阻單位；電勢(shì)用伏特，1伏特＝10e8厘米-克-秒電磁單位制的電勢(shì)單位。1881年巴黎第一屆國(guó)際電學(xué)家大會(huì)批準(zhǔn)了一方案，并決定再增加電流的實(shí)用單位：安培，規(guī)定1伏特電勢(shì)差加在1歐姆電阻上產(chǎn)生的電流強(qiáng)度為1安培，它等于1／10厘米-克-秒電磁單位制的電流單位。與此同時(shí)，還引入了電量的實(shí)用單位——庫侖和電容的實(shí)用單位——法拉。這些單位沿用至今。

這樣就形成了電磁量中的第三套單位制，即實(shí)用單位制。本來這套實(shí)用單位是附屬于厘米-克-秒電磁單位制的，取的仍是“絕對(duì)”定義。然而，為了檢驗(yàn)的方便，有人主張?jiān)贋檫@些實(shí)用單位選定一些實(shí)物基準(zhǔn)。于是在1893年在芝加哥召開的第四屆國(guó)際電學(xué)家大會(huì)上為這些實(shí)用單位另行規(guī)定了實(shí)物基準(zhǔn)，并且把這些實(shí)用單位分別冠以“國(guó)際”詞頭。下面引一段當(dāng)時(shí)的決議：

“決議，本屆國(guó)際電學(xué)家大會(huì)代表各自政府的委托，正式采用以下單位作為電學(xué)計(jì)量的法定單位：

“歐姆——以國(guó)際歐姆作為電阻單位，它以等于10e9CGS電磁單位電阻的歐姆作為基礎(chǔ)，用恒定電流在融冰溫度時(shí)通過質(zhì)量為克，長(zhǎng)度為厘米，橫截面恒定的水銀柱所受到的電阻來代表?！?/p>

“安培——以國(guó)際安培作為電流單位，它等于CGS電磁單位的1／10，在實(shí)用上取通過硝酸銀水溶液在規(guī)定條件下以每秒克的速率使銀沉淀的恒定電流來代表已足夠精確”。

同時(shí)大會(huì)還對(duì)國(guó)際伏特、國(guó)際庫侖、國(guó)際法拉都作了相應(yīng)的規(guī)定。

這樣就出現(xiàn)了歷史上第一套“國(guó)際”單位，這套單位不甚完備，因此提出之初，沒有得到普遍承認(rèn)。

電磁學(xué)單位制的變遷經(jīng)歷了一個(gè)相當(dāng)曲折的過程。除了CGSM單位制，CGSE單位制和實(shí)用單位制以外，還有高斯單位制。高斯單位制在物理學(xué)中運(yùn)用廣泛，至今還常見于文獻(xiàn)。

喬治MKS制和有理化MKS制

早在1901年，意大利喬治就曾提出，如果在長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間這三個(gè)基本單位之外，再增加一個(gè)電學(xué)量作為基本單位，就可以建立一種包括力學(xué)和整個(gè)電磁現(xiàn)象在內(nèi)的一貫單位制。他當(dāng)時(shí)建議用米、千克、秒和歐姆，之所以想選取歐姆，是因?yàn)殡娮杩梢杂眯阅芴貏e穩(wěn)定的材料來代表。

經(jīng)過各國(guó)際組織長(zhǎng)期討論，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在1935年接受了喬治的建議，但是否定了他把電阻作為第四個(gè)基本量的意見，代之以下列更科學(xué)、更合理的方案：

(1)寫成有理化形式的方程中的真空磁導(dǎo)率，定義為4л×10e(-7)牛頓／安培e2。此處牛頓是被引入作為力的米-千克-秒單位制中的新單位。

(2)根據(jù)兩平行載流導(dǎo)線之間的力規(guī)定安培。

由于第二次世界大戰(zhàn)的干擾，這一套有理化MKS制直到1948年才開始采用。

基本單位中除了三個(gè)力學(xué)量外，再增加一個(gè)電磁量，這一措施有重大意義。十九世紀(jì)許多科學(xué)家主張用力學(xué)量單位作為基本單位，反映了他們的機(jī)械論觀點(diǎn)。當(dāng)時(shí)人們總認(rèn)為，一切自然現(xiàn)象(包括電磁現(xiàn)象)最終都應(yīng)歸屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)。但是，科學(xué)的發(fā)展打破了傳統(tǒng)觀念。基本單位的擴(kuò)大，反映了觀念的更新。1882-3年，英國(guó)的赫維賽首先提出有理化問題，他發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)公式中4л的分布不盡合理。1891年裴雷建議，如果取真空磁導(dǎo)率μ0＝4л×10e(-7)，就可以使電磁學(xué)公式得到更簡(jiǎn)潔的表達(dá)式，這就是1935年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)作出上述決定的又一歷史背景。

在電磁學(xué)單位制中磁學(xué)量的單位特別復(fù)雜，很容易混淆，這主要是因?yàn)榇艑W(xué)本身經(jīng)歷了一個(gè)概念含混的時(shí)期。最早的庫侖定律是建立在磁荷概念之上的，但是實(shí)際上正負(fù)磁荷并不能象正負(fù)電荷那樣單獨(dú)存在。

1900年，國(guó)際電學(xué)家大會(huì)贊同美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì)(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位名稱為高斯，這實(shí)際上是一場(chǎng)誤會(huì)。AIEE原來的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由于翻譯成法文時(shí)誤譯為磁場(chǎng)強(qiáng)度，造成了混淆。當(dāng)時(shí)的CGSM制和高斯單位制中真空磁導(dǎo)率μ0是無量綱的純數(shù)1，所以，真空中的B和H沒有什么區(qū)別，致使一度B和H都用同一個(gè)單位——高斯。

但是，磁場(chǎng)強(qiáng)度H和磁通密度B在本質(zhì)上畢竟是兩個(gè)不同的概念。1900年后，就在科技界中展開了一場(chǎng)關(guān)于B和H性質(zhì)是否相同的討論，同時(shí)也討論到電位移D和電場(chǎng)強(qiáng)度E的區(qū)別問題。

直至1930年7月，國(guó)際電工委員會(huì)才在廣泛討論的基礎(chǔ)上作出決定：真空磁導(dǎo)率μ0有量綱，B和H性質(zhì)不同，B和D對(duì)應(yīng)，H和E對(duì)應(yīng)，在CGSM單位制中以高斯作為B的單位，以奧斯特作為H的單位。

國(guó)際單位制

第二次世界大戰(zhàn)后，出現(xiàn)了進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際合作的趨勢(shì)，迫切要求改進(jìn)計(jì)量單位和單位制的統(tǒng)一。在這以前，多種單位制并存在局面使各國(guó)科技人員傷透了胸筋，貽誤了許多工作。

1948年第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)要求國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中開展國(guó)際征詢，并對(duì)上述情況進(jìn)行研究。在這個(gè)基礎(chǔ)上，1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定將實(shí)用單位制擴(kuò)大為六個(gè)基本單位，即米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉，其中開爾文是絕對(duì)溫度的單位，坎德拉是發(fā)光強(qiáng)度的單位。

1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定將上述六個(gè)基本單位為基礎(chǔ)的單位制命名為國(guó)際單位制，并以SI(法文LeSystemInternationalel'Unites的縮寫)表示。

1971年第十四屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)增補(bǔ)了一個(gè)基本量和單位，這就是“物質(zhì)的量”及其單位——摩爾，定義它為：摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與千克碳-12的原子數(shù)相等。

同時(shí)SI單位制中還規(guī)定了一系列配套的導(dǎo)出單位和通用