SI 기본 단위 정의

정의와 측정은 과학에 있어서 필수요소 이며 SI 기본 단위 정의 표현의 필요성이다.

물리학에서 용어의 정확한 정의와 양의 정확한 측정은 위대한 발견을 가능하게 하였다.

어떤 양을 측정한다는 것은 이 양을 정확히 정의된 단위값과 비교한다는 것을 말한다.

두 점 사이의 거리를 측정할 때, 미터와 같은 표준 기본 단위가 필요하다. 어떤 거리가 3미터라는 말은 단위 미터 길이의 3배가 된다는 것을 의미한다. 

표준 미터막대가 그 거리에 3개가 들어 있다. 이러한 거리의 표현에서 3라는 숫자에 미터라는 단위가 포함되어 있다는 것이 중요하다. 

왜냐하면 흔히 쓰는 킬로미터 또는 마일과 같은 길이의 다른 단위도 있기 때문이다. 거리가 3라고 말하는 것은 의미가 없다.

물리량의 크기는 숫자와 단위가 다 포함되어 있어야 한다.

모든 물리량을 표현하기 위하여 몇 개의 기본 단위만 있으면 충분하다.

속도, 힘, 운동량, 일, 에너지 그리고 일률 같은 대부분의 양들은 3개의 기본 물리량인 길이, 시간, 질량으로 표시할 수 있다.

이들 기본 양에 대한 표준 단위를 어떻게 잡느냐에 따라 단위계가 결정된다.

과학 분야에 보편적으로 사용되고 있는 단위계는 국제단위계(SI : Systeme Internationale)이다.

<길이>

길이의 기본 단위 미터(m)는 원래 프랑스 세브레(Sevres)에 있는 국제도량형국(International Bureau of Weights and Measures)에 보존된 백금과 이리듐의 합금으로 만들어진 막대에 새겨진 2개의 표시로 정해졌었다.

이 길이는 파리를 통과하는 자오선을 따라 적도와 북극간의 거리를 1000만 미터( 10⁷m)로 잡은 것이다. 

(지구의 둘레는 약   4×10⁷m)

현재는 미터를 진공에서 1/2,99,729,458 초 동안에 빛이 진행한 거리로 정의한다 

(따라서 빛의 속력은 정확히 2,99,729,458 m/s이다).

<시간>

시간의 단위, 초(s)는 지구으 자전을 기준으로 정의했고, 평균 태양일의 (1/60)(1/60)(1/24)로 정의했었다. 

지금은 세슘 원자의 고유 진동수로 정의한다. 모든 원자는 에너지를 흡수하며 원소의 고유한 파장과 진동수를 가진 빛을 방출한다. 

원자는 각 에너지 전이에 해당하는 고유한 진동수와 파장이 있다. 

이들의 진동수는 불변이다. 

초는 세슘 원소에서 고유한 에너지 전이에 의해 방출된 빛이 9,192,631,770회 진동하는 시간이다. 이렇게 정의된 길이와 시간의 기본단위는 전 세계의 실험실에서 사용되고 있다.

 

<질량>

질량의 기본단위인 킬로그램(kg)은 1000그램(g)과 같고 세브레에 보존된 국제킬로그램원기의 질량으로 정의되어 있다. 

1kg 원기의 복제품은 미국 국립기술표준원(NIST)에 있다. 

보통 크기의 질량은 무게를 측정함으로서 비교할 수 있다.

모든 물리량의 단위는 기본 국제단위계로 표현할 수 있다. 

자주 사용되는 몇 개의 단위로 조합된 것들은 특별한 이름이 부여되어 있다. 예를 들면 힘의 국제단위는 kg∙m/s²인데 뉴턴(N)으로 부른다. 또한 일률에 대한 국제단위계는 kg∙m/s²=N∙m/s인데 와트(W)로 부른다.

SI 단위에 붙여서 쓰이는 배수와 분수들의 접두사는 10의 거듭제곱 형태이다.

이러한 단위계를 십진법 단위계라 부른다. 

미터를 기초로 한 십진법 단위계를 미터 단위계라고 부른다.

SI로 바뀌고 있으나 아직 사용되고 있는 십진법 단위계는 센티미터, 그램, 초에 기초를 둔 cgs 단위계이다. 센티미터는 0.01m로 정의된다. 그램은 0.001kg인데 원래 섭씨 4도에서 1 입방 센티미터(cm³)의 물의 질량으로 정의한다. 따라서 1kg은 물 1리터(1000cm³)의 질량이다.

 

또 다른 단위계인 미국 관습단위계는 힘의 단위로 파운드(lb)가 기본단위로서 선택되어 있다. 이 단위계에서, 질량 단위는 힘의 기본단위의 항으로 정의된다. 파운드는 특별한 장소에서 측정된 표준물체에 대한 지구의 인력을 토대로 정의한다. 이 단위계에서 길이의 기본단위는 피트(ft)이고 시간의 단위는 SI 단위와 같은 초(s)이다.

1yd = 0.9144m

1인치(in) = 2.54cm

1ft = 3yd = 12in