หน่วยที่ใช้ในวิชาฟิสิกส์

หน่วยการวัดและน้ำหนักยังไม่มีการตกลงให้เป็นมาตรฐานที่แน่นอน หน่วยวัดความยาวแตกต่างกันไประหว่างประเทศแต่ละเมือง และแต่ละอาชีพ เช่น ช่างเสื้อกับช่างไม้ หน่วยวัดความยาวที่มีอยู่เดิมส่วนใหญ่กำหนดขึ้นจากระยะห่างระหว่างส่วนต่าง ๆ ในร่างกายมนุษย์ เช่น นิ้ว (inch) เท่ากับความกว้างของนิ้วหัวแม่มือ (thumb-width) แขน (hand) หรือฝ่ามือ (palm) ซึ่งเป็นหน่วยวัดความสูงของม้าเท่ากับส่วนกว้างของฝ่ามือ ฟุต (foot) เท่ากับความยาวของเท้ากษัตริย์อังกฤษ ศอก (cubit) เท่ากับความยาวจากข้อศอกถึงปลายนิ้วกลาง ฟาธอม (fathom) ซึ่งใช้วัดความลึกของมหาสมุทร เท่ากับความยาวระหว่างปลายนิ้วกลางของมือทั้งสองข้างเมื่อแขนเหยียดตรง เป็นต้น
ในปี ค.ศ. 1791 สภาวิทยาศาสตร์แห่งฝรั่งเศส (French Academy of Science) เสนอแนะให้มีหน่วยวัดความยาวที่เป็นมาตรฐาน และเสนอแนะให้ใช้ความยาวพื้นฐานจากขนาดของโลก เรียกว่า หน่วยเมตร (meter) ซึ่งเป็นความยาวเท่ากับหนึ่งในสิบล้านของระยะทางจากขั้วโลกถึงเส้นศูนย์สูตร ทางสภาวิทยาศาสตร์ได้สร้างความยาวของเส้นมาตรฐานขึ้น โดยใช้โลหะผสมระหว่าง platinum กับ iridium แล้วกำหนดระยะทางระหว่างจุดสองจุดบนแท่งโลหะดังกล่าวให้เท่ากับความยาว 1 เมตร



เมื่อเวลาล่วงผ่านมามนุษย์สามารถวัดความยาวได้แน่นอนมากขึ้น และได้พบว่าโลกมีขนาดโต กว่าที่สภาวิทยาศาสตร์เคยวัดไว้ อย่างไรก็ตามความยาวมาตรฐานที่เคยกำหนดไว้ก็ยังคงใช้ต่อไป ไม่มีการเปลี่ยนแปลง โลหะเมตรมาตรฐานอันแรกเก็บอยู่ ณ Bureau des Poids et Measures in Se’vres ใกล้ๆ กรุงปารีส และได้จำลองขนาดเมตรมาตรฐานแจกจ่ายไปยังประเทศต่าง ๆ เกือบทั่วโลก
ต่อมา การวัดความยาวสามารถทำได้แน่นอนยิ่งขึ้นโดยใช้วิธีการทางแสง ดังนั้น ในปี ค.ศ. 1960 สถาบัน International Bureau of Weights and Measure ได้ตกลงกำหนดความยาวของเมตรมาตรฐานใหม่โดยให้ 1 เมตร เท่ากับ 1,650,763.73 ของความยาวคลื่นของแสงสีส้มแดง ซึ่งออกมาจากแก๊ส krypton-86 ดังนั้นแม้ว่าแท่งโลหะเมตรมาตรฐานจะละลายสูญหายไป เราก็ยังสามารถหาความยาวของเมตรมาตรฐานได้ด้วยวิธีการทางแสง ซึ่งเป็นค่าที่แน่นอนกว่าเปรียบเทียบจากโลหะเมตรมาตรฐาน
ในทางวิทยาศาสตร์ หน่วยความยาวนี้มักใช้ระบบเมตริก (metric units) ซึ่งพร้อม ๆ กับการกำหนดความยาวมาตรฐาน ระบบเมตริกได้เสนอหน่วยใหม่สำหรับวัดจำนวนของสาร หรือมวลสาร (mass) โดยใช้หน่วยกรัม (gram ; g) ซึ่งกำหนดให้ 1 กรัม เท่ากับ มวลของน้ำขนาด 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิขนาดใดขนาดหนึ่งเหนือจุดน้ำแข็ง ซึ่งเป็นอุณหภูมิของน้ำที่มีความหนาแน่นมากที่สุด (จากการวัดที่แน่นอนภายหลัง ปรากฏว่า น้ำที่มีความหนาแน่นมากที่สุดมีความหนาแน่นเพียง 0.999973 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ไม่ใช่ 1 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร อย่างไรก็ตามเราก็ยังคงใช้ค่าที่วัดได้แต่ครั้งก่อนเป็นค่ามาตรฐาน)
การสร้างน้ำหนักมาตรฐานขึ้นด้วยโลหะผสม platinum และ iridium ให้มีค่า 1 กิโลกรัม
(kilogram ; kg) ซึ่งเท่ากับ 1,000 กรัม เก็บน้ำหนักกิโลกรัมมาตรฐานไว้ที่เดียวกับเมตรมาตรฐาน พร้อมกับสร้างน้ำหนักกิโลกรัมจำลองขึ้นไปแจกจ่ายทั่วโลกเช่นเดียวกัน ในทางฟิสิกส์จำเป็นต้องใช้หน่วยน้ำหนักขนาดเล็กลงไปอีก ได้แก่ มิลลิกรัม (milligram ; mg) ซึ่งเท่ากับ 1/100 กรัม และไมโครกรัม (microgram ; g) ซึ่งเท่ากับหนึ่งในล้านกรัม เพื่อวัดมวลซึ่งมีขนาดเล็กมาก
หน่วยพื้นฐานลำดับที่สามในทางฟิสิกส์ ได้แก่หน่วยของเวลา มีการกำหนดให้ 1 วัน มี 24 ชั่วโมง แต่ละชั่วโมงแบ่งเป็น 60 นาที และแต่ละนาที แบ่งเป็น 60 วินาที การแบ่งเช่นนี้เป็นระบบเวลาของ บาบิโลน (Babylon) และอียิปต์โบราณ (Egypt) ทางสภาวิทยาศาสตร์ยังคงระบบนี้ไว้ แต่การวัดเวลาที่น้อยกว่าวินาที ได้จัดแบ่งใหม่เป็นระบบทศนิยม ได้แก่ มิลลิวินาที (millisecond ; msec) ซึ่งเท่ากับหนึ่งในพันของวินาที และไมโครวินาที (microsecond ; sec) ซึ่งเท่ากับหนึ่งในล้านของวินาที
จากการกำหนดวินาทีให้เท่ากับ 1/86,400 ของความยาวเฉลี่ยของ 1 วันในรอบปี ค่านี้อาจไม่มีความแตกต่างสำหรับบุคคลธรรมดา แต่นักดาราศาสตร์พบว่าอัตราการหมุนรอบตัวเองของโลกเป็นค่าที่ไม่แน่นอน ดังนั้นความยาวของเวลาในแต่ละวันจึงเปลี่ยนแปลงได้ ยิ่งเป็นปีเป็นศตวรรษ เวลาก็ยิ่งผิดพลาดมากขึ้น เพื่อให้เวลา 1 วินาทีมีค่าที่แน่นอน สถาบัน National Bureau of Standards ได้กำหนดค่าของวินาทีเท่ากับระยะเวลาที่อะตอมของธาตุ cesium สั่นได้ 9,192,631,770 ครั้ง พร้อมกันนั้นทางสถาบันก็ได้สร้างนาฬิกามาตรฐาน เรียกว่า cesium atomic clock ขึ้น ซึ่งบอกเวลาได้ละเอียดถึง 1 ใน 2x1011 และเป็นเวลา 6,000 ปี นาฬิกานี้จึงจะแสดงเวลาผิดพลาดเพียง 1 วินาที
เมื่อได้กำหนดหน่วยสำหรับวัดความยาว มวลสาร และเวลาขึ้นแล้ว เราก็สามารถสร้างความสัมพันธ์เป็นหน่วยใหม่ขึ้นได้ เช่น หน่วยความเร็ว (velocity) คือ เซนติเมตรต่อวินาที (cm/s) หน่วยความหนาแน่น (density) คือ กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (g/cm3) ซึ่งเป็นระบบที่เรียกว่า ระบบ CGS (เซนติเมตร-กรัม-วินาที) และอีกระบบหนึ่ง คือ ระบบ MKS (เมตร-กิโลกรัม-วินาที) หน่วยในระบบทั้งสองนี้นิยมใช้กันทั่วไป เพราะการเพิ่มขึ้นหรือลดลงเป็นหน่วยของ 10 แตกต่างจากระบบของ Anglo-American ซึ่งหน่วยของความเร็วเป็น ฟุตต่อวินาที ไมล์ต่อชั่วโมง หรือ furlongs per fortnight
หน่วยในระบบหลังนี้ กำหนดให้ 1 ฟุต มี 12 นิ้ว 1 หลา มี 3 ฟุต และ 1 ไมล์ เท่ากับ 1760 หลา หรือ 5280 ฟุต (ยกเว้นไมล์ทะเลซึ่งเท่ากับ 6076 ฟุต) เราใช้ ออนซ์ (ounce) สำหรับวัดมวลสาร 1 ออนซ์ เท่ากับ 437.5 เกรน (grains) 1 ปอนด์ เท่ากับ 16 ออนซ์ 1 ตัน เท่ากับ 2,000 ปอนด์ จะเห็นได้ว่าการคำนวณในระบบเมตริกทำได้ง่ายกว่ามากเพราะการเปลี่ยนแปลงชื่อหน่วยมีค่าเป็น 10 เสมอ
ชื่อและค่าต่าง ๆ ในระบบเมตริก ดังนี้
tera 1012 เช่น 1 terameter = 1012 meters
giga 109 เช่น 1 giga parsec = 109 parsec
mega 106 เช่น 1 megabuck = 106 dollars
kilo 103 เช่น 1 kilometer = 103 meters
hecto 102 เช่น 1 hectogram = 100 grams
deca 10 เช่น 1 decaliter = 10 liters
deci 10-1 เช่น 1 decibel = 10-1 bel
centi 10-2 เช่น 1 centimeter = 10-2 meter
milli 10-3 เช่น 1 millivolt = 10-3 volt
micro 10-6 เช่น 1 microwatt = 10-6 watt
nano 10-9 เช่น 1 nanosecond = 10-9 second
pico 10-12 เช่น 1 picofarad = 10-12 farad
femto 10-15 เช่น 1 femtogram = 10-15 gram
atto 10-18 เช่น 1 attosecond = 10-18 second
ต่อไปนี้เป็นการปรับค่าจากหน่วยหนึ่งไปยังอีกหน่วยหนึ่ง ดังนี้
1 นิ้ว = 2.540 เซนติเมตร = 0.0254 เมตร
1 ฟุต = 30.48 เซนติเมตร = 0.3048 เมตร
1 เมตร = 39.37 นิ้ว
1 ไมล์ = 1.609x103 เมตร = 1.609 กิโลเมตร
1 กิโลเมตร = 0.6215 ไมล์
1 ปอนด์ (lb) = มวล 453.6 กรัม (มวลมีค่าแตกต่างกันตามตำแหน่งบนพื้นโลก ดังนั้นจึงกำหนดให้เป็นมวลที่ชั่ง ณ ระดับน้ำทะเลที่เส้นรุ้ง (latitude) 45 องศา)
1 กิโลกรัม = 2.205 ปอนด์