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物理量的单位总是由基本单位(质量、长度、时间等)的幂相乘得来的。比如,能量的单位就是 1J = kg·m2·s-2 。为什么没有什么物理量,它是由基本单位通过更复杂的形式导出的?比如说,为何没有什么物理量,它的单位是 sin(kg)·log(m) ?
这是一个非常有趣,无疑也是非常深刻的问题。它让我们开始认真思考一个看上去很不像问题的问题:什么是物理量?什么是物理单位?我们需要去挖掘物理量和物理单位的最基本、最本质的性质。
网站上的标准答案是,只有这种形式的导出单位才能保证,在不同的单位制下,得到的导出单位是等价的。
具体地说,物理单位的作用就是用来描述,当各个基本单位的尺度变化以后,这个物理量会发生怎样的变化。比如说,密度单位是质量除以长度的三次方,就表明如果质量扩大到原来的 2 倍(或者说单位量变成了原来的 1/2 ),长度扩大到原来的 4 倍(或者说单位量变成了原来的 1/4 ),那么这个物理量将会变成原来的 2/43 = 1/32 。
现在,假设某个物理量的单位是质量的正弦乘以长度的对数。按照国际标准单位制,这个单位是 sin(kg)·log(m) 。假如单位换成了 sin(g)·log(cm) ,那么这个物理量将会变成原来的 sin(1000)·log(100) ≈ 3.80792 。再继续换算成 sin(mg)·log(mm) ,物理量应该继续变成原来的 sin(1000)·log(10) ≈ 1.90396 。但是,如果从 sin(kg)·log(m) 直接变到 sin(mg)·log(mm) ,物理量应该变成原来的 sin(1 000 000)·log(1000) ≈ -2.41767 ,这就和前面的结果矛盾了。利用一些微积分知识可以证明,如果一个合成物理单位不会出现这样的问题,它必然是基本单位的幂的乘积的形式。
不过,这个解释并不能让我十分满意。大家怎么看呢?