Soustava SI (zkratka z francouzského „Système International“^[1]:s.165, česky Mezinárodní soustava jednotek^[2]) je moderní formou^{[1]:s.117[3][4]} metrické soustavy a nejrozšířenějším systémem jednotek na světě.^{[1]:s.123[5][6]} Byla založena a je udržována^[7] Generální konferencí pro míry a váhy (CGPM^{[pozn. 1]}) a je jedinou měrnou soustavou, která má oficiální status téměř ve všech zemích světa a používá se ve vědě, technice, průmyslu i každodenním obchodě.

Soustava SI zahrnuje ucelenou soustavu fyzikálních jednotek, která začíná sedmi základními jednotkami: sekunda (značka s, jednotka času), metr (m, délka), kilogram (kg, hmotnost), ampér (A, elektrický proud), kelvin (K, termodynamická teplota), mol (mol, látkové množství) a kandela (cd, svítivost). Systém může obsahovat koherentní jednotky pro neomezený počet dalších veličin. Tyto jednotky se nazývají koherentní odvozené jednotky, které lze vždy reprezentovat jako součin nebo podíl základních jednotek. Dvacet dva koherentních odvozených jednotek dostalo vlastní název a značku.^{[pozn. 2]}

Sedm základních jednotek a 22 koherentních odvozených jednotek se speciálními názvy a značkami lze použít v kombinaci k vyjádření dalších koherentních odvozených jednotek. Vzhledem k tomu, že velikosti koherentních jednotek jsou vhodné pouze pro některá použití a ne pro jiná, poskytuje soustava SI dvacet čtyři předpon, které po přidání k názvu a značky koherentní jednotky vytvářejí dvacet čtyři dalších (nekoherentních) jednotek SI pro stejnou veličinu; tyto nekoherentní jednotky jsou vždy desetinnými (tj. mocninami deseti) násobky a díly koherentní jednotky. Soustava SI je zamýšlena jako vyvíjející se systém; jednotky a předpony jsou vytvářeny a definice jednotek jsou upravovány na základě mezinárodní dohody tak, jak postupuje technologie měření a zvyšuje se přesnost měření.

Od roku 2019 jsou velikosti všech jednotek SI definovány na základě stanovení, že sedm přírodních konstant SI má určité přesné číselné hodnoty, pokud jsou vyjádřeny v jednotkách SI. Těmito přírodními konstantami jsou rychlost světla ve vakuu c, frekvence záření velmi jemného přechodu cesia Δν_Cs, Planckova konstanta h, elementární náboj e, Boltzmannova konstanta k, Avogadrova konstanta N_A a světelná účinnost K_cd. Povaha přírodních konstant sahá od základních přírodních konstant, jako je c, až po čistě technickou konstantu K_cd. Před rokem 2019 nebyly h, e, k a N_A definovány a priori, ale jednalo se spíše o velmi přesně měřené veličiny. V roce 2019 byly jejich hodnoty definičně stanoveny na jejich nejlepší odhady v daném okamžiku, čímž byla zajištěna kontinuita s předchozími definicemi základních jednotek.

Současný způsob definování SI je výsledkem desetiletí trvajícího posunu ke stále abstraktnějším a idealizovanějším formulacím, v nichž jsou realizace jednotek pojmově odděleny od definic. Důsledkem je, že s rozvojem vědy a technologií mohou být zaváděny nové a lepší realizace, aniž by bylo nutné jednotky nově definovat. Jedním z problémů etalonů je, že se mohou ztratit, poškodit nebo změnit; dalším je, že vnášejí nejistotu, kterou nelze snížit pokrokem ve vědě a technologii. Posledním etalonem používaným v soustavě SI byl mezinárodní prototyp kilogramu, válec z platiny a iridia.

Původní motivací pro vývoj soustavy SI byla rozdílnost jednotek, které vznikly v rámci soustavy centimetr-gram-sekunda (CGS) (konkrétně nesoulad mezi soustavami elektrostatických jednotek a elektromagnetických jednotek), a nedostatečná koordinace mezi různými obory, které je používaly. Generální konference pro míry a váhy, která byla založena Úmluvou o metru z roku 1875, sdružila mnoho mezinárodních organizací s cílem stanovit definice a standardy nového systému a sjednotit pravidla pro zápis a prezentaci měr. Tento systém byl zveřejněn v roce 1960 jako výsledek iniciativy, která vznikla v roce 1948, a je tedy založen na soustavě jednotek metr-kilogram-sekunda (MKS), nikoli na některé z variant CGS.

Principy

Mezinárodní soustava jednotek neboli soustava SI^[1]:s.123 je desítková^{[pozn. 3]} a metrická^{[pozn. 4]} soustava jednotek zavedená v roce 1960 a od té doby pravidelně aktualizovaná. Soustava SI má oficiální status ve většině zemí světa, včetně Spojených států, Kanady a Spojeného království, ačkoli tyto tři země patří mezi hrstku států, které v různé míře nadále používají i své zvykové soustavy. Nicméně díky této téměř univerzální úrovni přijetí se soustava SI „používá na celém světě jako preferovaná soustava jednotek, základní jazyk vědy, techniky, průmyslu a obchodu“.^[1]:s.123

Jedinými dalšími typy měrných soustav, které jsou stále široce rozšířené po celém světě, jsou imperiální a americká běžná měrná soustava^{[pozn. 5]} a i ty jsou z právního hlediska definovány pomocí soustavy SI.^{[pozn. 6]} Existují i další, méně rozšířené měrné soustavy, které se příležitostně používají v určitých oblastech světa. Kromě toho existuje mnoho jednotlivých jednotek, které nepatří do žádné ucelené soustavy jednotek, ale přesto se v určitých oborech a regionech stále pravidelně používají. Obě tyto kategorie jednotek jsou také obvykle právně definovány v termínech jednotek SI.

Řídicí orgán

Soustavu SI zřídila a spravuje Generální konference pro míry a váhy (CGPM).^[7] V praxi se CGPM řídí doporučeními Poradního výboru pro jednotky (CCU), který je skutečným orgánem, jenž vede technická jednání o novém vědeckém a technologickém vývoji souvisejícím s definicí jednotek a SI. CCU podává zprávy Mezinárodnímu výboru pro míry a váhy (CIPM), který zase podává zprávy CGPM.

Soustava SI je regulována a průběžně rozvíjena třemi mezinárodními organizacemi, které byly založeny v roce 1875 na základě Dohody o metru. Jsou to Generální konference pro míry a váhy (CGPM), Mezinárodní výbor pro míry a váhy (CIPM) a Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIPM). Konečnou pravomoc má CGPM, což je plenární orgán, jehož prostřednictvím členské státy společně jednají v záležitostech týkajících se vědy o měření a měřících standardech; obvykle se schází každé čtyři roky.^[9] CGPM volí CIPM, což je osmnáctičlenný výbor složený z významných vědců. CIPM funguje na základě rad řady svých poradních výborů, které sdružují světové odborníky v daných oborech jako poradce pro vědecké a technické záležitosti.^[10] Jedním z těchto výborů je Poradní výbor pro jednotky (CCU), který je zodpovědný za záležitosti související s vývojem Mezinárodní soustavy jednotek (SI), přípravu dalších vydání příručky soustavy SI a poradenství CIPM v záležitostech týkajících se jednotek měření.^[11] Právě CCU se podrobně zabývá veškerým novým vědeckým a technologickým vývojem souvisejícím s definicí jednotek a soustavou SI. V praxi, pokud jde o definici SI, CGPM pouze formálně schvaluje doporučení CIPM, který se zase řídí radami CCU.

Členy CCU jsou:^[12][13] národní laboratoře členských států CGPM pověřené stanovením národních norem;^{[pozn. 7]} příslušné mezivládní organizace a mezinárodní orgány; mezinárodní komise nebo výbory; vědecké svazy; osobní členové; a jako člen ex offo všech poradních výborů ředitel BIPM.

Všechna rozhodnutí a doporučení týkající se jednotek jsou shromážděna v příručce nazvané Mezinárodní soustava jednotek (SI),^[1] kterou BIPM vydává ve francouzštině a angličtině a pravidelně ji aktualizuje. Psaní a údržbu této příručky zajišťuje jeden z výborů CIPM. Definice pojmů "veličina", "jednotka", "rozměr" atd., které jsou v této příručce SI použity, odpovídají definicím uvedeným v Mezinárodním slovníku základních a všeobecných termínů v metrologii.^[14] Příručka ponechává určitý prostor pro místní odchylky, zejména pokud jde o názvy jednotek a termíny v různých jazycích.^[15]

Jednotky a předpony

Mezinárodní soustava jednotek se skládá ze souboru základních jednotek SI, odvozených jednotek SI a souboru násobků a dílů založených na desetinném čísle, které se používají jako předpony SI.^{[16]:s.103–106} Jednotky, s výjimkou předponových jednotek,^{[pozn. 8]} tvoří soustavu jednotek koherentních, která je založena na soustavě veličin tak, že rovnice mezi číselnými hodnotami vyjádřenými v koherentních jednotkách mají přesně stejný tvar, včetně číselných koeficientů, jako odpovídající rovnice mezi veličinami. Například 1 N = 1 kg × 1 m/s² říká, že jeden newton je síla potřebná ke zrychlení hmotnosti jednoho kilogramu na jeden metr za sekundu na druhou, jak je to vztaženo prostřednictvím principu koherence k rovnici vztahující se k odpovídajícím veličinám: F = m × a.

Odvozené jednotky se vztahují na odvozené veličiny, které mohou být z definice vyjádřeny pomocí základních veličin, a nejsou tedy nezávislé; například elektrická vodivost je inverzní hodnotou elektrického odporu, z čehož vyplývá, že siemens je inverzní hodnotou ohmu, a podobně lze ohm a siemens nahradit poměrem ampéru a voltu, protože tyto veličiny jsou ve vzájemném definovaném vztahu. Další užitečné odvozené veličiny lze specifikovat v termínech základních a odvozených jednotek SI, které nemají v SI pojmenované jednotky, například zrychlení, které je v jednotkách SI definováno jako m/s².

Základní jednotky

Soustava SI používá sedm základních jednotek, které odpovídají sedmi základním fyzikálním veličinám: sekunda (značka s, jednotka SI pro fyzikální veličinu čas), metr (značka m, jednotka SI pro délku), kilogram (kg, jednotka hmotnosti), ampér (A, elektrický proud), kelvin (K, termodynamická teplota), mol (mol, látkové množství) a kandela (cd, svítivost).^[1] Všechny jednotky v soustavě SI lze vyjádřit pomocí základních jednotek a základní jednotky slouží jako preferovaná sada pro vyjádření nebo analýzu vztahů mezi jednotkami.

Níže následuje definice^[17][18] a popis základních jednotek pro sedm základních veličin a jejich stručný historický vývoj.

Základní jednotky SI^[15]:s.6

Jednotka	Značka (závazná)	Značka rozměru	Fyzikální veličina	Typická značka	Stručná definice
sekunda[p 1]	s	T	čas	${\displaystyle t}$	Doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídající přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133
metr	m	L	délka	${\displaystyle l}$, ${\displaystyle h}$, ${\displaystyle a}$, ${\displaystyle b}$, ${\displaystyle x}$, ${\displaystyle y}$, ${\displaystyle r}$, atd.[p 2]	Vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 1 / 299 792 458 sekundy.
kilogram[p 3]	kg	M	hmotnost	${\displaystyle m}$	Kilogram je definován stanovením Planckovy konstanty h přesně na 6,62607015×10−34 J⋅s (J = kg⋅m2⋅s−2), vzhledem k definicím metru a sekundy.[19]
ampér	A	I	elektrický proud	${\displaystyle I,\;i}$	Proud přesně 1/ (1,602176634×10−19) násobku elementárního náboje e za sekundu. Což se rovná přibližně 6,2415090744×1018 elementárních nábojů za sekundu.
kelvin	K	Θ	termodynamická teplota	${\displaystyle T}$	Kelvin je definován stanovením pevné číselné hodnoty Boltzmannovy konstanty k na 1,380649×10−23 J⋅K−1, (J = kg⋅m2⋅s−2), vzhledem k definici kilogramu, metru a sekundy.
mol	mol	N	látkové množství	${\displaystyle n}$	Množství látky přesně 6,02214076×1023 elementárních entit.[p 4] Toto číslo je pevná číselná hodnota Avogadrovy konstanty NA vyjádřená v jednotce mol−1.
kandela	cd	J	svítivost	${\displaystyle I_{\mathrm {v} }}$	Svítivost zdroje, který vydává monochromatické záření o frekvenci 5,4×1014 hertzů, jehož intenzita daném směru je 1/683 wattů na steradián.
Poznámky ↑ V rámci soustavy SI je sekunda koherentní základní jednotkou času a používá se v definicích odvozených jednotek. Název "sekunda" vznikl historicky jako druhostupňové šedesátinové dělení (1⁄602) nějaké veličiny, v tomto případě hodiny, kterou SI klasifikuje jako „přijatelnou“ jednotku spolu s jejím prvostupňovým šedesátinové dělením minutou. ↑ Značky pro délku se značně liší v závislosti na kontextu. V úlohách zahrnujících intuitivní trojrozměrné veličiny se často používají značky ${\displaystyle l}$, ${\displaystyle w}$ a ${\displaystyle h}$ pro délku, vzdálenost a výšku. Obecněji řečeno, fyzikové mají tendenci nastavit souřadnicový systém daného problému tak, aby jedna osa ležela vhodně rovnoběžně s měřenou délkou. Délka se pak často označuje buď nějakou konstantou (např. ${\displaystyle a}$, ${\displaystyle b}$) podél uvedené osy, nebo stejnou značkou jako samotná osa (např. ${\displaystyle x}$, ${\displaystyle y}$ nebo ${\displaystyle z}$ pro vodorovnou, svislou a radiální osu). ↑ Navzdory předponě „kilo“ je kilogram jednotnou základní jednotkou hmotnosti a používá se v definicích odvozených jednotek. Přesto se předpony pro jednotku hmotnosti určují, jako by základní jednotkou byl gram. ↑ Při použití molu je třeba specifikovat elementární jednotky, kterými mohou být atomy, molekuly, ionty, elektrony, jiné částice nebo specifikované skupiny těchto částic.

Sekunda

Sekunda, značka „s“, je jednotka času v SI. Je definována stanovením pevné číselné hodnoty frekvence Δν_Cs, přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133 nacházejícího se v klidovém stavu, která je rovna 9 192 631 770, je-li vyjádřena v jednotce Hz, která je rovna s⁻¹.^{[pozn. 9]}

Nejstarší definice sekundy ji odvozovaly z délky středního slunečního dne, jako jeho 1/86 400. V 50. letech 20. století se za stabilnější základ definice začal považovat místo dne rok, což byl koncept v roce 1960 převzatý do definice sekundy v SI:

Sekunda je zlomek 1/31 556 925,9747 tropického roku pro 0. leden 1900 ve 12 hodin efemeridového času.^[20]

Brzy však technologický pokrok umožnil přesnější měření a udržování času pomocí atomových hodin. V roce 1967 tak byla definice změněna na:

Sekunda je doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133.

Později bylo upřesněno, že atom cesia musí být v klidu (časem se rozumí vlastní čas z pohledu obecné teorie relativity) a teplota pozadí blízká 0 K. Ze třetího zákona termodynamiky plyne, že teplota absolutní nuly je nedosažitelná. Lze se k ní však libovolně přiblížit. Podmínku nulové termodynamické teploty je třeba chápat tak, že cesiové hodiny musí provádět korekce s ohledem na teplotu pozadí.

Stávající znění definice sekundy získala při redefinici jednotek SI v roce 2019; fakticky zůstala nezměněna, liší se jen formálně, aby měla stejný formát jako ostatní nové definice, čímž vynikne idea, že každá jednotka je svázána s určitou neměnnou vlastností přírody. Vzhledem k pokroku v metrologii času a frekvence se však uvažuje o budoucí faktické redefinici i u sekundy, která by měla vstoupit v platnost ještě před rokem 2030, podle předběžných předpokladů nejspíše v roce 2026.^[21][22]

Metr

Metr, značka „m“, je jednotka délky v SI. Je definován stanovením pevné číselné hodnoty rychlosti světla ve vakuu c, která je rovna 299 792 458, je-li vyjádřena v jednotce m s⁻¹, kde sekunda je definována prostřednictvím Δν_Cs.

Jako standardní vědecká jednotka se původně koncipovala délka kyvadla o půlperiodě jedné sekundy. Jelikož se však brzy zjistilo, že doba kyvu poměrně značně závisí na místě měření, byla jako definice metru zvolena délka definovaná jako desetimiliontina délky kvadrantu zemského poledníku procházejícího Paříží (to odpovídá obvodu Země přesně 40 000 km). Na základě geodetických měření byl pak vyroben prototyp metru, platino-iridiová tyč o průřezu písmene X, na níž rysky definovaly délku jednoho metru, pokud se měřil za teploty tání ledu.

Definice prototypem však postupně přestala vyhovovat potřebám a vzrůstající přesnosti metrologie, takže v roce 1960 byla přijata nová definice založená na přírodním jevu:

Metr je vzdálenost rovná 1 650 736,73 vlnovým délkám ve vakuu záření odpovídajícího přechodu mezi energetickými hladinami 2p10 a 5d5 atomu kryptonu 86.^[23]

V roce 1983 pak byla tato definice opět nahrazena, tentokrát za definici založenou na rychlosti světla:

Metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za dobu 1/299 792 458 sekundy.

Také zde došlo v roce 2019 k reformulaci, ale beze změny definice. Definicí metru je tedy přesně stanovena vlnová délka mikrovlnného záření, které je uvedeno v definici sekundy, vztahem

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{f}}={\frac {299792458}{9192631770}}\,\mathrm {m} \approx 3{,}2612\dots \,\mathrm {cm} }$.

Porovnání neznámé vzdálenosti s touto vlnovou délkou lze provádět interferometricky.

Kilogram

Kilogram, značka „kg“, je jednotka hmotnosti v SI. Je definován stanovením pevné číselné hodnoty Planckovy konstanty h, která je rovna 6,626 070 15×10⁻³⁴, je-li vyjádřena v jednotce J s, která je rovna kg m² s⁻¹, kde metr a sekunda jsou definovány prostřednictvím c a Δν_Cs.

Standardní jednotka hmotnosti (původně nazývaná grave) byla koncipována jako hmotnost jednoho litru vody prosté vzduchu za teploty tuhnutí. Jako definici této jednotky však první Generální konference pro míry stanovila hmotnost prototypu kilogramu, válečku z platino-iridiové slitiny:

Kilogram je jednotka hmotnosti; je rovna hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu.

Tato definice prototypem vydržela až do redefinice v roce 2019, přestože z praktických i teoretických aspektů byla již dlouho značně problematická; trvalo však dlouho, než se našla dostatečně přesná alternativa. Nová definice tak je nejpodstatnější z přijatých změn. Spojení se základní fyzikální konstantou nově umožnilo, aby velikost kilogramu a všech jednotek od něj odvozených byla spolehlivě časově stabilní. Planckova konstanta h je základní konstantou kvantové teorie, kde určuje mimo jiné vztah mezi energií a frekvencí fotonu: E=hf. Speciální teorie relativity poskytuje vztah mezi energií a hmotností, kde konstantou úměrnosti je rychlost světla ve vakuu: E=mc². Tyto dva fyzikální zákony umožňují odvodit definici kilogramu od číselné hodnoty Planckovy konstanty. Měření hmotnosti podle nových definic prakticky umožňují wattové váhy, přičemž se využívá i nová definice ampéru.

Ampér

Ampér, značka „A“, je jednotka elektrického proudu v SI. Je definován stanovením pevné číselné hodnoty elementárního náboje e, která je rovna 1,602 176 634×10⁻¹⁹, je-li vyjádřena v jednotce C, která je rovna A s, kde sekunda je definována prostřednictvím Δν_Cs.

Ampér byl původně převzat z jednotky proudu v soustavě CGS, kde byla jednotka definována jako takový proud, tekoucí vodičem o délce 1 cm ve tvaru části kruhového oblouku o poloměru 1 cm, který ve středu kružnice vytváří magnetické pole o intenzitě 1 oersted; ampér byl však jako desetkrát menší než jednotka v systému CGS (dnes nazývaná abampér).

V roce 1946 byla definice nahrazena novou, která velikost ampéru odvozuje od elektrické síly mezi rovnoběžnými vodiči:

Ampér je stálý elektrický proud, který protéká dvěma rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči o zanedbatelném průřezu umístěnými ve vakuu 1 m od sebe, jestliže mezi vodiči působí magnetická síla o velikosti 2×10⁻⁷ newtonu na jeden metr délky vodiče.

Jinak řečeno tato definice zafixovala velikost permeability vakua ${\displaystyle {\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0}$Zdroj:https://cs.wikipedia.org?pojem=Soustava_SI
Text je dostupný za podmienok Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3.0 Unported; prípadne za ďalších podmienok. Podrobnejšie informácie nájdete na stránke Podmienky použitia.