Das SI basiert auf der Erkenntnis, dass sich alle relevanten Messgrößen über physikalische Gesetze auf einige wenige, genauer gesagt sieben Basisgrößen zurückführen lassen. Zu diesen sieben Basisgrößen sind Basiseinheiten eindeutig definiert. Diese sind:

  • m (Meter)
  • kg (Kilogramm)
  • s (Sekunde)
  • A (Ampere)
  • K (Kelvin)
  • mol (Mol)
  • cd (Candela)

Bis vor kurzem waren diese Basiseinheiten mit Ausnahme des Kilogramms durch reproduzierbare Experimente eindeutig festgelegt. So war die Sekunde beispielsweise definiert als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. Dies kann im Prinzip jeder Leser nachvollziehen, indem er sich eine mit Caesium betriebene Atomuhr baut. Oder er spart sich den Aufwand und konsultiert eine der unten noch beschriebenen staatlichen Stellen. Ein weiteres Beispiel: Das Meter war spezifiziert als die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299.792.458 Sekunden durchläuft (wobei eine zusätzliche Referenzierung auf eine andere Basiseinheit erfolgt). Die große Ausnahme stellte das Kilogramm dar: Es wurde in Form des Internationalen Kilogrammprototyps dargestellt. Dies ist ein aus einer Platin-Iridium-Legierung bestehender Würfel, der auch heute noch in einem Tresor des Bureau International des Pods et Mesures (BIPM), einer Einrichtung der Internationalen Meterkonvention, in Sèvres bei Paris seit 1889 (!) aufbewahrt wird.

Seit dem am 20. Mai 2019 abgehaltenen Weltmetrologietag wurden die bisherigen Definitionen der sieben Basiseinheiten ersetzt durch Zurückführung auf sieben Naturkonstanten. Speziell bei den drei Basiseinheiten Meter, Sekunde und Candela hat sich dabei nichts Substanzielles geändert – die zum Nachvollzug notwendigen Experimente blieben gleich, lediglich die sprachliche Formulierung wurde modifiziert. So gilt z.B. die Sekunde nunmehr als dadurch definiert, dass die Frequenz obiger Caesium-Strahlung exakt den Zahlenwert 9.192.631.770 annimmt, wenn man sie in s-1 ausdrückt. Das Meter wird ähnlich oben nun ganz formal über die Lichtgeschwindigkeit c ausgedrückt. Und Candela wird auf das photometrische Strahlungsäquivalent Kcd, ebenfalls eine Naturkonstante, zurückgeführt.

Anders sieht es bei den vier weiteren Basiseinheiten aus: Beispielsweise wird das Kilogramm nun durch Ableitung aus dem Planckschen Wirkungsquantum h als Naturkonstante mit einem Wert von ca. 6,62607015 · 10-34 Js definiert, wobei die Einheit J (Joule), wie unten noch aufgeführt wird, nichts anderes als kgm2/s2 ist. Kennt man also die Basiseinheiten m und s sowie die Naturkonstante h, so ist auch kg zweifelsfrei bekannt. h wird dabei in Kooperation der metrologischen Institutionen (siehe unten) in Form aufwendiger Experimente in entsprechender Genauigkeit bestimmt. Analog werden zurückgeführt: A auf die Elementarladung e, K auf die Boltzmann-Konstante kB und mol auf die Avogadro-Konstante NA.

Das SI umfasst im Weiteren eine Aufzählung der von diesen sieben Basiseinheiten über physikalische Gesetzmäßigkeiten (oder auch nur Definitionen) abgeleiteten Einheiten. Einige Beispiele seien aufgezählt:

1 Hz = 1/s
1 N = 1 kgm/s2
1 Pa = 1 N/m2 = 1 kg/ms2
1 J = 1 Nm = 1 kgm2/s2
1 W = 1 J/s = 1 kgm2/s3
1 V = 1 W/A = 1 kgm2/s3A
1 H = 1 Vs/A = 1 kgm2/s2A2
1 F = 1 As/V = A2s4/kgm2

Das Newton (N) beispielsweise bestimmt sich hierbei über das bekannte gleichnamige Trägheitsgesetz

(Formel 1)

mit F Kraft (in N), m Masse (in kg) und a Beschleunigung (in m/s2).

Das Henry (H) bzw. das Farad (F) ergeben sich aus den Zusammenhängen zwischen Spannung u(t) (V) und Strom i(t) (A) bei Induktivitäten L

(Formel 2)

bzw. bei Kapazitäten C

(Formel 3)

wenn man diese nach L bzw. C auflöst.

Interessant ist auch das „Jonglieren“ zwischen verschiedenen physikalischen Teildisziplinen. So zeigen obige Beispiele, dass die Leistung (W) sowohl in mechanischen wie auch elektrische Gesetzmäßigkeiten vorkommt und man deshalb z.B. die elektrische Spannung (V) durch eine Kombination der elektrischen Basiseinheit Ampere (A) mit mechanischen Basiseinheiten definieren kann.

Neben den sieben Basiseinheiten und den abgeleiteten Einheiten definiert das SI noch zwei sog. ergänzende Einheiten: Ein Radiant (rad) ist der ebene Winkel zwischen zwei Radien eines Kreises für den Fall, dass der dadurch bestimmte Kreisbogen genau so groß wie der Radius ist. Da der Umfang eines Kreises bekanntermaßen der mit 2π multiplizierte Radius ist, entspricht eine komplette Drehung einem Winkel von 2π rad. Auf Basiseinheiten zurückgeführt, bedeutet das

1 rad = m/m.

In analoger Weise wird ein Steradiant (sr) als räumlicher Winkel mit der Kugelmitte als Scheitelpunkt definiert, der aus der Kugeloberfläche eine Fläche gleich der eines Quadrats von der Seitenlänge des Kugelradius ausschneidet. Auf die Einheit bezogen heißt dies

1 sr = m2/m2.

Zu guter Letzt sind im SI noch Vorsätze definiert, mit denen Vielfache bzw. Teile von SI-Einheiten in Kurzform angegeben werden können, so dass große oder kleine Messwerte nicht durch unübersichtlich viele Ziffern geschrieben werden müssen:

Y       Yotta      1024                 d        Dezi       10-1
Z       Zetta       1021                c        Zenti      10-2
E       Exa        1018                  m       Milli       10-3
P        Peta        1015               µ       Mikro     10-6
T       Tera       1012                 n        Nano      10-9
G       Giga       109                  p        Piko       10-12
M      Mega      106                  f        Femto     10-15
k        Kilo        103                  a        Atto        10-18
h        Hekto     102                 z        Zepto     10-21
da      Deka      101                 y        Yokto     10-24

Dem Leser ist vielleicht aufgefallen, dass die Basiseinheit Kilogramm (kg) bereits den Vorsatz Kilo (k) in sich trägt. Dies hat historische Gründe. Vielfache bzw. Teile davon werden dennoch bekanntermaßen nur mit dem Gramm (g) zuzüglich des passenden Vorsatzes geschrieben.

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