Список физических величин
В метрологии различают понятия размерность физической величины и единица физической величины. Размерность физической величины определяется используемой системой физических величин, которая представляет собой совокупность физических величин, связанных между собой зависимостями, и в которой несколько величин выбраны в качестве основных. Единица физической величины — это такая физическая величина, которой по соглашению присвоено числовое значение, равное единице[1]. Системой единиц физических величин называют совокупность основных и производных единиц, основанную на некоторой системе величин. В расположенных ниже таблицах приведены физические величины и их единицы, принятые в Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин.
Согласно третьему изданию Международного словаря по метрологии (VIM 3), величина — это свойство явления, тела или вещества, которое может быть выражено в виде числа и ссылки (например, единицы измерения)[2]. Физическая величина представляет собой характеристику свойств материальных объектов или процессов, имеющую как качественный, так и количественный аспект. Качественная характеристика описывает свойство, общее для целого класса объектов (её формальным отражением служит размерность), а количественная — выражает индивидуальную меру этого свойства для конкретного объекта[3]. Основное уравнение измерения, связывающее физическую величину с её числовым значением и единицей измерения, имеет вид: Q = q ⋅ [Q], где Q — значение измеряемой физической величины, q — её числовое значение, а [Q] — принятая единица измерения[4].
Классификация
Физические величины классифицируются по степени их условной независимости на основные (фундаментальные) и производные. Основные величины в рамках определённой системы условно принимаются в качестве независимых от других величин и служат для определения всех остальных. Производные физические величины определяются через основные с помощью математических уравнений[5].[6]
В Международной системе величин (ISQ) связь физической величины с основными величинами системы отражает её размерность. Система ISQ основана на семи основных величинах, каждой из которых присвоен символ размерности в виде заглавной латинской буквы: длина (L), масса (M), время (T), сила электрического тока (I), термодинамическая температура (Θ), количество вещества (N) и сила света (J)[7].[8]
Размерность любой производной величины в системе ISQ выражается как произведение степеней символов размерностей основных величин[9].
Физические величины классифицируются по свойству аддитивности (поведению при сложении) и зависимости от размера системы на экстенсивные и интенсивные[10].
Экстенсивные (аддитивные) величины зависят от размера системы или количества вещества в ней. Их основным свойством является аддитивность: значение величины для всей системы равно сумме значений для её отдельных частей. Примерами экстенсивных величин служат масса, объём, энергия, электрический заряд, энтропия и количество вещества[11]..
Интенсивные (неаддитивные) величины не зависят от размера системы. При разделении системы на части значение интенсивной величины в каждой из них остаётся неизменным, а операция суммирования таких значений не имеет физического смысла. К интенсивным величинам относятся температура, плотность, давление, концентрация и удельная теплоёмкость[10].[12].
В физике величины классифицируются по их математической природе, которая определяет способ их описания и преобразования при смене системы координат. Основными типами являются скалярные, векторные и тензорные величины[13].[14]
Скалярные величины (скаляры) полностью определяются одним числовым значением (модулем) в выбранной системе единиц и не имеют направления. Операции с ними подчиняются правилам обычной алгебры. К скалярным величинам относятся масса, время, температура, длина, площадь, объём, плотность, работа, энергия и электрический заряд[13].
Векторные величины (векторы) характеризуются как числовым значением (модулем), так и направлением в пространстве. Примерами векторных величин являются скорость, ускорение, сила, перемещение, импульс, а также напряжённость электрического и магнитного полей[13].
Тензорные величины (тензоры) являются обобщением понятий скаляра (тензор нулевого ранга) и вектора (тензор первого ранга). Физические величины, являющиеся тензорами второго ранга и выше, используются для описания более сложных, в том числе анизотропных (зависящих от направления), свойств. Они часто устанавливают линейное соотношение между двумя векторными величинами. Примерами таких величин служат тензор напряжений, тензор деформаций, тензор инерции, тензор диэлектрической проницаемости и метрический тензор[13].
Системы единиц
С 20 мая 2019 года вступили в силу новые определения основных единиц Международной системы единиц (СИ) — килограмма, ампера, кельвина и моля, которые теперь определяются через фиксированные численные значения фундаментальных физических констант[15]. В ноябре 2022 года в систему были официально добавлены четыре новые приставки: ронна (10²⁷), кветта (10³⁰), ронто (10⁻²⁷) и квекто (10⁻³⁰)[16]. В Российской Федерации данные изменения закреплены новым стандартом ГОСТ 8.417–2024, введённым в действие 30 сентября 2024 года[17].
| Основные величины | Размерность | Символ | Описание | Единица СИ | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| Пространство | L, L², L³ | l, S, V | Протяжённость объекта в одном пространственном измерении.
Площадь в двух пространственных измерениях Объём в трех пространственных измерениях |
метр (м),
метр квадратный [м²], метр кубический [м³] |
Пространство является трёхмерной физической величиной. |
| Масса | m | Величина определяющая количество материи и пропорциональные ему инерционные и гравитационные свойства | килограмм (кг) | Экстенсивная величина | |
| Время | t | Продолжительность события. | секунда (с) | ||
| Сила тока | I | Протекающий в единицу времени заряд. | ампер (А) | ||
| Температура | T | Величина, пропорциональная средней кинетической энергии молекул тела. | кельвин (К) | Интенсивная величина | |
| Количество вещества | n | Количество однотипных структурных единиц, из которых состоит вещество. | моль (моль) | Экстенсивная величина | |
| Сила света | Iv | Количество световой энергии, излучаемой в заданном направлении в единицу времени. | кандела (кд) | Световая, экстенсивная величина |
| Производные величины | Символ | Описание | Единица СИ | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Площадь | S | Размер пространства ограниченного замкнутой линией и опирающейся на эту линию поверхностью | м2 | |
| Объём | V | Размер пространства заключённого в трёхмерном объекте | м3 | экстенсивная величина |
| Скорость | v | Изменение положения тела в единицу времени | м/с | вектор |
| Ускорение | a | Изменение скорости в единицу времени | м/с² | вектор |
| Импульс | p | Количество движения тела | кг·м/с | экстенсивная, сохраняющаяся величина |
| Сила | F | Мера взаимодействия материи | кг·м/с2 (ньютон, Н) | вектор |
| Механическая работа | A | Скалярное произведение силы и перемещения. | кг·м2/с2 (джоуль, Дж) | скаляр |
| Энергия | E | Способность тела или системы совершать работу. | кг·м2/с2 (джоуль, Дж) | экстенсивная, сохраняющаяся величина, скаляр |
| Мощность | N | Быстрота совершения работы. | кг·м2/с3 (ватт, Вт) | |
| Давление | p | Сила, действующая на единицу площади поверхности перпендикулярно этой поверхности | кг/(м·с2) (паскаль, Па) | интенсивная величина |
| Плотность | ρ | Масса на единицу объёма. | кг/м3 | интенсивная величина |
| Поверхностная плотность | ρA | Масса на единицу площади. | кг/м2 | |
| Линейная плотность | ρl | Масса на единицу длины. | кг/м | |
| Количество теплоты | Q | Энергия, передаваемая от одного тела к другому немеханическим путём | кг·м2/с2 (джоуль, Дж) | скаляр |
| Электрический заряд | q | Способность тел быть источником электромагнитного поля и принимать участие в электромагнитном взаимодействии | А·с (кулон, Кл) | экстенсивная, сохраняющаяся величина |
| Напряжение | U | Изменение потенциальной энергии, приходящееся на единицу заряда. | м2·кг/(с3·А) (вольт, В) | скаляр |
| Электрическое сопротивление | R | Сопротивление объекта прохождению электрического тока | м2·кг/(с3·А2) (ом, Ом) | скаляр в обычном случае, может быть тензорной величиной |
| Магнитный поток | Φ | Величина, учитывающая интенсивность магнитного поля и занимаемую им область. | кг·м2/(с2·А) (вебер, Вб) | |
| Частота | ν | Число повторений события за единицу времени. | с−1 (герц, Гц) | |
| Угол | α | Величина изменения направления. | радиан (рад) | |
| Угловая скорость | ω | Скорость изменения угла. | с−1 (радиан в секунду) | |
| Угловое ускорение | ε | Изменение угловой скорости в единицу времени | с−2 (радиан на секунду в квадрате) | |
| Момент инерции | I | Мера инертности объекта при вращении. | кг·м2 | тензорная величина |
| Момент импульса | L | Мера вращения объекта. | кг·м2/c | сохраняющаяся величина |
| Момент силы | M | Произведение силы на длину перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы. | кг·м2/с2 | вектор |
| Телесный угол | Ω | Часть пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки и пересекающих некоторую поверхность | стерадиан (ср) |
Система СГС (сантиметр-грамм-секунда) — система физических величин, базирующаяся на трёх основных единицах: сантиметре для длины, грамме для массы и секунде для времени[18]. Ключевым отличием СГС от Международной системы единиц (СИ) является подход к определению электромагнитных величин. В отличие от СИ, где введена дополнительная основная единица для силы электрического тока (ампер), в СГС не вводится дополнительных основных единиц для электромагнитных явлений, а все электрические и магнитные единицы выводятся из сантиметра, грамма и секунды. Это привело к созданию нескольких вариантов системы (СГСЭ, СГСМ и Гауссова система). В Гауссовой системе векторы электрического и магнитного полей имеют одинаковую размерность, а закон Кулона записывается без дополнительных размерных коэффициентов[19]. Из-за разницы в основных единицах производные единицы для многих физических величин также отличаются от принятых в СИ: сила измеряется в динах, энергия и работа — в эргах, давление — в бариях. Исторически СГС предшествовала СИ. В настоящее время её применение ограничено отдельными областями, в основном теоретической физикой и астрофизикой, где более простая форма записи некоторых законов электродинамики считается преимуществом и значительно упрощает теоретические выкладки[18].
Наряду с единицами Международной системы (СИ) к применению допускается ряд внесистемных единиц. Их использование регулируется как международными документами (например, Брошюрой СИ Международного бюро мер и весов), так и национальными нормативными актами. В Российской Федерации основным документом является «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», утверждённое постановлением Правительства РФ № 879 от 31 октября 2009 года[20].
К числу внесистемных единиц, допущенных к применению без ограничения срока наравне с единицами СИ, относятся:
- тонна (т) — для измерения массы;
- минута (мин) и час (ч) — для измерения времени;
- литр (л) — для измерения объёма;
- электронвольт (эВ) — для измерения энергии[20].
Некоторые внесистемные единицы допускаются к использованию только в специальных областях. Примерами таких единиц являются:
- морская миля — для измерения длины в навигации;
- узел (уз) — для измерения скорости в навигации;
- карат (кар) — для измерения массы в торговле драгоценными камнями[20].
Современные исследования и эталоны
В 2024 году был достигнут значительный прогресс в разработке сверхточных ядерных часов на основе изотопа торий-229[21]. Исследователям впервые удалось осуществить прямую лазерную стимуляцию атомного ядра тория-229 и измерить частоту ядерного перехода с высокой точностью[21]. В отличие от существующих атомных часов, использующих переходы электронов в оболочке, ядерные часы основаны на переходах внутри самого ядра, что делает их значительно более устойчивыми к внешним воздействиям[22]. Эти достижения рассматриваются как важный шаг к переопределению секунды в Международной системе единиц (СИ). Согласно дорожной карте Международного бюро мер и весов (BIPM), переход на новый эталон времени, основанный на оптических или ядерных часах, может состояться к 2030 году[23].
В апреле 2026 года были опубликованы результаты десятилетнего эксперимента Национального института стандартов и технологий США (NIST) по измерению гравитационной постоянной (G)[24]. Новое значение составило 6,67387 × 10⁻¹¹ м³·кг⁻¹·с⁻², что на 0,0235 % ниже результата предыдущего эталонного измерения, выполненного во Франции Международным бюро мер и весов (BIPM)[25]. Данное расхождение подчеркнуло сложность точного определения этой фундаментальной константы и не позволило прийти к её единому значению[24][25].