國際單位制（SI）完整指南：七大基本單位
在全球科學研究、工程技術和國際貿易中，有一套共通的度量衡語言：國際單位制（Systeme International d'Unites，簡稱 SI）。它由七個基本單位構成，所有其他物理量都可以由這七個單位推導而來。2019 年，SI 經歷了一次歷史性的重新定義，讓這些基本單位更加精確和穩定。
SI 的七大基本單位
| 物理量 | 單位名稱 | 符號 | 定義基準（2019 年後） |
|---|---|---|---|
| 長度 | 公尺 | m | 光在真空中行進 1/299,792,458 秒的距離 |
| 質量 | 公斤 | kg | 普朗克常數 h = 6.62607015 × 10⁻³⁴ J·s |
| 時間 | 秒 | s | 銫-133 原子 9,192,631,770 次輻射週期 |
| 電流 | 安培 | A | 基本電荷 e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C |
| 溫度 | 克耳文 | K | 波茲曼常數 k = 1.380649 × 10⁻²³ J/K |
| 物質的量 | 莫耳 | mol | 亞佛加厥常數 NA = 6.02214076 × 10²³ |
| 發光強度 | 燭光 | cd | 頻率 540 × 10¹² Hz 輻射的光視效能 |
2019 年的歷史性重新定義
2019 年 5 月 20 日（世界計量日），SI 基本單位的定義發生了根本性的改變。最重大的變化是公斤的重新定義。
告別實體標準
在此之前，公斤是唯一一個仍然以實物定義的基本單位 — 它的標準是保存在巴黎國際度量衡局的一個鉑銥合金圓柱體，稱為「國際公斤原器」（IPK）。問題在於，這個原器會隨時間改變質量（即使極微小），導致公斤的定義不夠穩定。
重點：2019 年重新定義後，所有七個基本單位都基於不變的物理常數，不再依賴任何實物標準。這意味著任何實驗室只要有足夠精密的設備，都可以獨立重現這些單位的精確值。
SI 前綴：從極小到極大
SI 使用一系列前綴來表示單位的倍數或分數，全部基於十進位：
| 前綴 | 符號 | 倍數 | 範例 |
|---|---|---|---|
| 太（tera） | T | 10¹² | 1 TB = 1 兆位元組 |
| 吉（giga） | G | 10⁹ | 1 GHz = 10 億赫茲 |
| 百萬（mega） | M | 10⁶ | 1 MW = 百萬瓦特 |
| 千（kilo） | k | 10³ | 1 km = 1000 公尺 |
| 厘（centi） | c | 10⁻² | 1 cm = 0.01 公尺 |
| 毫（milli） | m | 10⁻³ | 1 mm = 0.001 公尺 |
| 微（micro） | μ | 10⁻⁶ | 1 μm = 百萬分之一公尺 |
| 奈（nano） | n | 10⁻⁹ | 1 nm = 十億分之一公尺 |
導出單位：從基本到複雜
所有其他物理量的單位都可以從七個基本單位推導而來。一些常見的導出單位包括：
- 牛頓（N）：力的單位 = kg·m/s²
- 帕斯卡（Pa）：壓力的單位 = N/m²
- 焦耳（J）：能量的單位 = N·m
- 瓦特（W）：功率的單位 = J/s
- 伏特（V）：電壓的單位 = W/A
- 赫茲（Hz）：頻率的單位 = 1/s
日常生活中的 SI 單位
雖然 SI 看起來很「科學」，但它其實深深融入了我們的日常生活：
- 你的體重以公斤計算
- 汽車速度以公里/小時顯示
- 室溫以攝氏度測量（攝氏度是從克耳文導出的）
- 電費以千瓦時（kWh）計算
- 手機螢幕亮度以尼特（cd/m²）衡量
結語
SI 是人類文明中最成功的標準化成就之一。它讓全球的科學家、工程師和企業能夠使用同一套語言進行溝通。2019 年的重新定義更讓這套系統達到了前所未有的精確度和穩定性。
參考文獻
- BIPM. "The International System of Units (SI)." SI Brochure, 9th edition, 2019. https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure
- NIST. "The International System of Units (SI)." NIST Special Publication 330, 2019. https://www.nist.gov/pml/owm/metric-si/si-units
- ISO. "ISO 80000-1:2022 Quantities and units — Part 1: General." International Organization for Standardization, 2022. https://www.iso.org/standard/76921.html
- Stock, Michael, et al. "The revision of the SI — the result of three decades of progress in metrology." Metrologia, Vol. 56, No. 2, 2019. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab0013