厘米-克-秒單位制

國際通用的單位制式。即Centimeter-Gram-Second (system of units) 厘米-克-秒單位制，通常在重力學科及相關力學科目中使用。

基本介紹

• 中文名：CGS
• 外文名：Centimeter-Gram-Second (system of units)
• 分類：物理
• 簡稱：厘米克秒制

制式來源

由於歷史的原因，世界各國一直通過有各種不同的單位體制，混亂複雜。不同行業採用的單位也不盡相同，例如：法國曾通用米-噸-秒制，英美曾通用英尺-磅-秒制，技術領域中採用工程單位制，即米-千克-秒制，而物理學則習慣於厘米-克-秒(CGS)單位制。這對經濟交往和科技工作都十分不利。為了便於國際間進行工業技術的交流，1875年在簽署米制公約時，規定以米為長度單位，以千克為質量單位，以秒為時間單位。這就是眾所周知的米-千克-秒(MKS)單位制。

相關制式

電磁學中單位和單位制更為混亂，幾經變革，走過了一條曲折的道路。

早在1832年，高斯在他的著名論文《換算成絕對單位的地磁強度》一文中就強調指出：必須用根據力學中的力的單位進行的絕對測量來代替用磁針進行的地磁測量。他為此提出了一種以毫米、毫克和秒為基本單位的絕對電磁單位制。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量。然而遺憾的是，電磁量實際上可以由兩個互相相容的方程系來描述，因為兩個庫侖定律都可以當作定義性方程：一個是靜電學的庫侖定律，一個是靜磁學的庫侖定律。於是出現了兩種“絕對”電磁學單位。19世紀50年代初，英國的W.湯姆生(開爾文)也做了類似的工作。他根據英國力學單位進行了與電信有關的一些電測量。1861年，英國的布賴特(C.Bright)和克拉克(L.Clark)發表《論電量和電阻標準的形成》一文，倡議建立一種統一的實用單位。他們的倡議得到了W.湯姆生的支持。於是這一年英國科學促進會成立了以W.湯姆生為首的六人電標準委員會，其宗旨是統一電阻和電容的標準，建立恰當的實用單位，並確定絕對單位和實用單位的換算關係。這個委員會主張用厘米-克-秒作為基本單位，於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)。

麥克斯韋也是這個委員會的成員。他對單位的規範和統一非常關心，親自作了許多實驗，提出了不少有益的建議。例如。他在1865年寫道：

“至今（1865年）採用的命名方法缺點很多。在涉及各個測量時，我們必須說明哪個數是表示靜電單位的值還是電磁絕對單位的值。如果運用到乘法，乘得的結果也必須加以命名，而且還必須牽涉到長度、質量和時間的單位標準，因為有些作者用磅而有些用克，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誤的危險應該避免”。

在六人電標準委員會的倡議下，英國科學促進會決定採用如下一些實用單位：電阻用歐姆，1歐姆=10×10厘米-克-秒電磁單位制的電阻單位；電勢用伏特，1伏特=10×10厘米-克-秒電磁單位制的電勢單位。1881年巴黎第一屆國際電學家大會批准了一方案，並決定再增加電流的實用單位：安培，規定1伏特電勢差加在1歐姆電阻上產生的電流強度為1安培，它等於1/10厘米-克-秒電磁單位制的電流單位。與此同時，還引入了電量的實用單位——庫侖和電容的實用單位——法拉。

這樣就形成了電磁量中的第三套單位制，即實用單位制。本來這套實用單位是附屬於厘米-克-秒電磁單位制的，取的仍是“絕對”定義。然而，為了檢驗的方便，有人主張再為這些實用單位選定一些實物基準。於是在1893年在芝加哥召開的第四屆國際電學家大會上為這些實用單位另行規定了實物基準，並且把這些實用單位分別冠以“國際”詞頭。下面引一段當時的決議：

“決議，本屆國際電學家大會代表各自政府的委託，正式採用以下單位作為電學計量的法定單位：

“歐姆——以國際歐姆作為電阻單位，它以等於10×10CGS電磁單位電阻的歐姆作為基礎，用恆定電流在融冰溫度時通過質量為14.4521克，長度為106.3厘米，橫截面恆定的水銀柱所受到的電阻來代表。”

“安培——以國際安培作為電流單位，它等於CGS電磁單位的1/10，在實用上取通過硝酸銀水溶液在規定條件下以每秒0.001118克的速率使銀沉澱的恆定電流來代表已足夠精確”。

同時大會還對國際伏特、國際庫侖、國際法拉都作了相應的規定。

這樣就出現了歷史上第一套“國際”單位，這套單位不甚完備，因此提出之初，沒有得到普遍承認。

電磁學單位制的變遷經歷了一個相當曲折的過程。除了CGSM單位制，CGSE單位制和實用單位制以外，還有高斯單位制。高斯單位制在物理學中運用廣泛。

喬治MKS制和有理化MKS制

早在1901年，義大利喬治(G.George)就曾提出，如果在長度、質量和時間這三個基本單位之外，再增加一個電學量作為基本單位，就可以建立一種包括力學和整個電磁現象在內的一貫單位制。他當時建議用米、千克、秒和歐姆，之所以想選取歐姆，是因為電阻可以用性能特別穩定的材料來代表。

經過各國際組織長期討論，國際計量委員會在1935年接受了喬治的建議，但是否定了他把電阻作為第四個基本量的意見，代之以下列更科學、更合理的方案：

(1)寫成有理化形式的方程中的真空磁導率，定義為4π×10牛頓·安培。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)根據兩平行載流導線之間的力規定安培。

由於第二次世界大戰的干擾，這一套有理化MKS制直到1948年才開始採用。

基本單位中除了三個力學量外，再增加一個電磁量，這一措施有重大意義。十九世紀許多科學家主張用力學量單位作為基本單位，反映了他們的機械論觀點。當時人們總認為，一切自然現象(包括電磁現象)最終都應歸屬於機械運動。但是，科學的發展打破了傳統觀念。基本單位的擴大，反映了觀念的更新。1882-3年，英國的赫維賽(O.Heaviside)首先提出有理化問題，他發現電磁學公式中4π的分布不盡合理。1891年裴雷(J.Perry)建議，如果取真空磁導率μ₀=4π×10，就可以使電磁學公式得到更簡潔的表達式，這就是1935年國際計量委員會作出上述決定的又一歷史背景。

在電磁學單位制中磁學量的單位特別複雜，很容易混淆，這主要是因為磁學本身經歷了一個概念含混的時期。最早的庫侖定律是建立在磁荷概念之上的，但是實際上正負磁荷並不能象正負電荷那樣單獨存在。

1900年，國際電學家大會贊同美國電氣工程師協會(AIEE)的提案，決定CGSM制磁場強度的單位名稱為高斯，這實際上是一場誤會。AIEE原來的提案是把高斯作為磁通密度B的單位，由於翻譯成法文時誤譯為磁場強度，造成了混淆。當時的CGSM制和高斯單位制中真空磁導率μ₀是無量綱的純數1，所以，真空中的B和H沒有什麼區別，致使一度B和H都用同一個單位——高斯。

但是，磁場強度H和磁通密度B在本質上畢竟是兩個不同的概念。1900年後，就在科技界中展開了一場關於B和H性質是否相同的討論，同時也討論到電位移D和電場強度E的區別問題。

直至1930年7月，國際電工委員會才在廣泛討論的基礎上作出決定：真空磁導率μ₀有量綱，B和H性質不同，B和D對應，H和E對應，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。

國際制式

第二次世界大戰後，出現了進一步加強國際合作的趨勢，迫切要求改進計量單位和單位制的統一。在這以前，多種單位制並存在局面使各國科技人員傷透了腦筋，貽誤了許多工作。

1948年第九屆國際計量大會要求國際計量委員會在科學技術領域中開展國際徵詢，並對上述情況進行研究。在這個基礎上，1954年第十屆國際計量大會決定將實用單位制擴大為六個基本單位，即米、千克、秒、安培、開爾文和坎德拉，其中開爾文是絕對溫度的單位，坎德拉是發光強度的單位。

1960年第十一屆國際計量大會決定將上述六個基本單位為基礎的單位制命名為國際單位制，並以SI(法文Le System International d'Unites的縮寫)表示。

1971年第十四屆國際計量大會增補了一個基本量和單位，這就是“物質的量”及其單位——摩爾，定義它為：摩爾是一系統的物質的量，該系統中所包含的基本單元數與0.012千克碳-12的原子數相等。

同時SI單位制中還規定了一系列配套的導出單位和通用的詞冠，形成了一套嚴密、完整、科學的單位制。

SI單位制的提出和完善是國際科技合作的一項重要成果，也是物理學發展的又一標誌。

國際單位制比起其他單位制來有許多優點：一是通用性，適用於任何一個科學技術部門，也適用於商品流通領域和社會日常生活；二是科學性和簡明性，構成原則科學明了，採用十進制，換算簡便；三是準確性，單位都有嚴格的定義和精確的基準。