단위계는 길이, 질량, 시간처럼 서로 다른 물리량을 공통 기준으로 측정하고 표현하는 체계다. 국제단위계(SI)는 세계 대부분의 국가에서 채택해 사용하는 국제 표준 단위계이며, 1960년 국제도량형총회에서 명칭과 국제 약칭이 정해졌다.[2] 단위가 붙어야 숫자가 무엇을 측정한 값인지 분명해지므로, 단위계는 측정 결과를 이해하고 서로 비교하는 데 쓰인다.[5]
1. 개요
SI는 일곱 기본단위를 바탕으로 물리량을 나타낸다. 그 밖의 단위는 기본단위에서 유도되며, 일부 유도단위에는 사용을 편리하게 하도록 특별한 명칭이 붙어 있다.[2] 기본단위와 유도단위가 일정한 규칙으로 연결되어 있어, 서로 다른 물리량의 측정값도 공통된 방식으로 표현할 수 있다.[2]
측정값의 소통에는 숫자와 단위를 함께 읽는 일이 중요하다. 예를 들어 섭씨 32도와 화씨 32도는 같은 온도를 나타내지 않으며, 단위가 생략되거나 모호한 숫자는 의미를 잘못 전달할 수 있다.[5] 국제단위계는 이러한 혼선을 줄이고 측정 결과의 비교를 돕는 공통 기준으로 기능한다.[2][4]
2. 국제단위계의 기본 구조
SI의 바탕은 초(s), 미터(m), 킬로그램(kg), 암페어(A), 켈빈(K), 몰(mol), 칸델라(cd)의 일곱 기본단위다. 이 단위들은 각각 시간, 길이, 질량, 전류, 온도, 물질량, 광도에 대응한다.[1] SI에서 다른 단위는 기본단위를 바탕으로 유도된다.[2]
유도단위는 기본단위의 곱셈과 나눗셈으로 나타낼 수 있다. 예컨대 헤르츠는 초의 역수(s⁻¹), 와트는 kg·m²·s⁻³으로 표현된다.[3] 자주 쓰이는 일부 유도단위에는 쿨롬이나 와트처럼 별도의 명칭과 기호가 주어져 있다.[2][3]
SI는 몇 가지 기본단위를 바탕으로 모든 물리량을 나타내는 일관성 있는 체계다. 단위 사이의 관계가 SI 단위의 곱셈과 나눗셈으로 표현되므로, SI를 다른 단위 체계와 혼합할 때 공식에 생기는 인자를 없앨 수 있다. 여기서 일관성이란 단위 사이의 관계에 1이 아닌 수치 인자를 붙이지 않는다는 뜻이다.[2]
3. 기본단위의 상수 기반 정의
SI 기본단위는 고정된 상수의 값을 바탕으로 정의된다. 예를 들어 초는 세슘-133 원자의 전이 주파수, 미터는 진공에서의 빛의 속력과 연결되며, 킬로그램은 플랑크 상수에 기반한다.[3] 기본 전하, 볼츠만 상수, 아보가드로 상수와 시감 효능도 기본단위의 정의에 쓰인다.[3]
2019년 5월 20일부터 킬로그램, 암페어, 켈빈, 몰의 정의가 불변 상수를 활용하는 방식으로 바뀌었다.[1] 이에 따라 일곱 기본단위가 고정된 기본상수에 기반해 정의된다.[1] 변화 전에는 백금과 이리듐 합금으로 만든 국제킬로그램원기가 질량의 기준이었으나, 시간이 지나며 그 질량이 수십 마이크로그램 변한 사실이 확인됐다.[1]
물리적 인공물의 질량이 변하면 그것을 기준으로 삼는 측정에도 오차가 생길 수 있다는 점이 재정의의 배경으로 제시됐다.[1] 상수를 바탕으로 한 정의는 시간의 경과에 따른 물리적 기준물의 변동에 의존하지 않는 단위를 마련한다.[1] 이와 같은 정의 방식은 측정표준을 안정된 기준에 연결한다.
4. SI 접두어와 비SI 단위
5. 단위의 표준화와 소통
같은 숫자라도 단위가 다르면 서로 다른 측정값을 나타낼 수 있다. 32도라는 표현은 섭씨인지 화씨인지에 따라 뜻이 달라지며, 단위를 생략하거나 모호하게 적으면 값의 의미가 불분명해진다.[5] 숫자와 단위를 함께 표기하는 일은 측정 결과를 다른 사람이 해석하도록 돕는다.[5]
화성 기후 궤도선 사례에서는 NASA가 국제단위계를 사용했지만, 제작사는 파운드와 야드를 사용해 프로그램을 작성했다. 이 단위 착오로 궤도선은 목표 궤도에 진입하지 못하고 파괴됐다.[5] 서로 다른 단위 체계를 쓰는 상황에서 기준과 표기를 명확히 공유하지 못하면 측정값과 계산 결과가 어긋날 수 있음을 보여주는 사례다.[5]
측정표준은 거래에서 분쟁을 줄이고 상품의 특성을 이해하기 쉽게 하며, 측정의 정확성을 뒷받침하는 기준이다.[4] 제품 품질에 대한 신뢰와 국민 안전도 정확하고 공정한 측정에 연결된다.[4] 국제단위계와 측정표준은 측정값을 일관된 방식으로 비교하고 전달하는 기반이 된다.[2][4]