Негізгі өлшем бірліктері және олардың түрлері

Кіріспе

Базалық өлшем бірлігі (базалық бірлік немесе негізгі бірлік деп те аталады) – базалық шама үшін конвенция бойынша қабылданған өлшем бірлігі. Бұл өлшем бірлігінің түрі. Базалық шама – физикалық шамалардың шартты түрде таңдалған жиынтығының бір бөлігі, онда жиынтықтағы ешқандай шаманы басқа шамалар арқылы өрнектеу мүмкін емес. СИ базалық бірліктері, яғни Халықаралық бірліктер жүйесі, метр, килограмм, секунд, ампер, кельвин, моль және канделадан тұрады. Бірлік еселігі (немесе бірліктің еселігі) – берілген бірліктің толық еселігі, ал бірлік субкөптігі (немесе бірліктің субкөптігі) – берілген бірліктің бөлшегі. Бірлік префикстері – әдетте 10-дық немесе 2-шілік жүйедегі бірліктердің еселіктері мен бөлшектері. Негізгі бірлік нақты белгіленгенімен, ал туынды бірлік – әртүрлі бірліктері бар шамалардың комбинациясын қамтитын туынды шаманың бірлігі; СИ базалық бірліктерінің 2019 жылғы жаңа анықтамасын қараңыз.

Табиғи бірліктер

Сананың негізгі өлшемдерінің жиынтығы – әрбір физикалық шама осы жиынтықпен өрнектеле алатын бірліктердің ең кішкентай жиынтығы. Дәстүрлі негізгі өлшемдер – масса, ұзындық, уақыт, заряд және температура, бірақ принцип бойынша басқа негізгі шамаларды да қолдануға болады. Электр тогы зарядтың орнына немесе жылдамдық ұзындықтың орнына пайдаланылуы мүмкін. Кейбір физиктер температураны негізгі өлшем деп санамайды, себебі ол энергия (немесе масса, ұзындық және уақыт) арқылы өрнектелетін бір бөлшектің әрбір еркіндік дәрежесінің энергиясын көрсетеді. Дафф өлшемсіз шамалардың ғана физикалық мағынасы бар екенін, ал барлық өлшем бірліктері адам жасаған конструкциялар екенін айтады. Физикалық шамалар арасындағы қатынастарды негізгі тұрақтылар арқылы да өрнектеуге болады, сондықтан негізгі тұрақтыны өлшемдері бар шама ретінде сақтау немесе оны бірлікке немесе белгілі бір өлшемсіз санға теңеу және нақты негізгі шамалардың санын бірге азайту – бұл кездейсоқ шешім. Онтологиялық мәселе – осы негізгі тұрақтылар өлшемді немесе өлшемсіз шамалар ретінде шынымен бар ма? Бұл ұзындықты уақытпен бірдей қарастыруға немесе электр зарядын масса, ұзындық және уақыттың комбинациясы ретінде түсінуге тең, бұл температураны энергияның өлшемі ретінде қарастырудан (оның өзі масса, ұзындық және уақыт арқылы өрнектеледі) гөрі аздап табиғирақ көрінуі мүмкін. Мысалы, уақыт пен қашықтық жарық жылдамдығы c арқылы байланысты, ол негізгі тұрақты. Осы қатынасты пайдаланып, уақыттың немесе қашықтықтың негізгі бірлігін жоюға болады. Осыған ұқсас ойлар Планк тұрақтысына h қатысты да қолданылады, ол энергияны (масса, ұзындық және уақыт арқылы өрнектелетін өлшеммен) жиілікке (уақыт арқылы өрнектелетін өлшеммен) байланыстырады. Теориялық физикада мұндай бірліктерді (табиғи бірліктерді) қолдану қалыпты, онда 1=c = 1 және 1=ħ = 1. Вакуумдық диэлектрлік тұрақтыға ε0 қатысты да ұқсас таңдау жасауға болады. c-ны бірлікке (немесе кез келген басқа өлшемсіз санға) теңеу арқылы метрді немесе секундты жоюға болады. Содан кейін ħ-ны өлшемсіз санға теңеу арқылы килограммды жоюға болады. Амперді вакуумдық диэлектрлік тұрақты ε0 немесе элементарлық заряд e өлшемсіз санға теңеу арқылы жоюға болады. Мольді негізгі бірлік ретінде Авогадро тұрақтысын N 1 деп теңеу арқылы жоюға болады, себебі ол техникалық масштабтау тұрақтысы. Температураны да жоюға болады, өйткені ол тек бір бөлшектің әрбір еркіндік дәрежесіндегі энергияны көрсетеді, оны энергия (немесе масса, ұзындық және уақыт) арқылы өрнектеуге болады. Мұны айтудың тағы бір жолы – Болцман тұрақтысы kB техникалық масштабтау тұрақтысы және оны өлшемсіз санға теңеуге болады. Сол сияқты, канделаны да жоюға болады, себебі ол техникалық масштабтау тұрақтысы арқылы басқа физикалық шамалар тұрғысынан анықталады, K. Бұл бір негізгі өлшемді және оған байланысты негізгі бірлікті қалдырады, бірақ оны жою үшін де бірнеше негізгі тұрақтылар бар – мысалы, G, гравитациялық тұрақты, me, электронның тыныш массасы немесе Λ, космологиялық тұрақты. Физиканың әр саласы үшін таңдау әртүрлі болады. Табиғи бірліктерді қолдану арқылы әрбір физикалық шама өлшемсіз сан ретінде өрнектеледі, бұл физиктердің үйлеспейтін негізгі шамалардың бар екендігіне қатысты пікірталасына себеп болады.

A set of base dimensions of quantity is a minimal set of units such that every physical quantity can be expressed in terms of this set. The traditional base dimensions are mass, length, time, charge, and temperature, but in principle, other base quantities could be used. Electric current could be used instead of charge or speed could be used instead of length. Some physicists have not recognized temperature as a base dimension since it simply expresses the energy per particle per degree of freedom which can be expressed in terms of energy (or mass, length, and time). Duff argues that only dimensionless values have physical meaning and all dimensional units are human constructs. There are other relationships between physical quantities that can be expressed by means of fundamental constants, and to some extent it is an arbitrary decision whether to retain the fundamental constant as a quantity with dimensions or simply to define it as unity or a fixed dimensionless number, and reduce the number of explicit base quantities by one. The ontological issue is whether these fundamental constants really exist as dimensional or dimensionless quantities. This is equivalent to treating length as the same as time or understanding electric charge as a combination of quantities of mass, length, and time which may seem less natural than thinking of temperature as measuring the same material as energy (which is expressible in terms of mass, length, and time). For instance, time and distance are related to each other by the speed of light, c, which is a fundamental constant. It is possible to use this relationship to eliminate either the base unit of time or that of distance. Similar considerations apply to the Planck constant, h, which relates energy (with dimension expressible in terms of mass, length and time) to frequency (with dimension expressible in terms of time). In theoretical physics it is customary to use such units (natural units) in which 1=c = 1 and 1=ħ = 1. A similar choice can be applied to the vacuum permittivity, ε0. One could eliminate either the metre or the second by setting c to unity (or to any other fixed dimensionless number). One could then eliminate the kilogram by setting ħ to a dimensionless number. One could eliminate the ampere by setting either the vacuum permittivity ε0 or the elementary charge e to a dimensionless number. One could eliminate the mole as a base unit by setting the Avogadro constant N to 1. This is natural as it is a technical scaling constant. One could eliminate the kelvin as it can be argued that temperature simply expresses the energy per particle per degree of freedom, which can be expressed in terms of energy (or mass, length, and time). Another way of saying this is that the Boltzmann constant kB is a technical scaling constant and could be set to a fixed dimensionless number. Similarly, one could eliminate the candela, as that is defined in terms of other physical quantities via a technical scaling constant, K.
That leaves one base dimension and an associated base unit, but there are several fundamental constants left to eliminate that too – for instance, one could use G, the gravitational constant, me, the electron rest mass, or Λ, the cosmological constant. The preferred choices vary by the field in physics. Using natural units leaves every physical quantity expressed as a dimensionless number, which is noted by physicists disputing the existence of incompatible base quantities.