Kansainvälinen yksikköjärjestelmä

Kansainvälinen yksikkö­järjestelmä (myös kansainvälinen mittayksikkö­järjestelmä) eli SI-järjestelmä (ransk. Système international d’unités) on maailman yleisin mittayksikkö­järjestelmä. SI-järjestelmä sai nykyisen nimensä vuonna 1960, mutta keskeisimmiltä osiltaan se perustuu Ranskassa jo 1700-luvun lopulla käyttöön otettuun metrijärjestelmään. Jos nykyään puhutaan metrijärjestelmästä, silläkin käytännössä yleensä tarkoitetaan SI-järjestelmää.
SI-järjestelmästä päätetään Kansain­välisen paino- ja mittatoimiston (ransk. Bureau international des poids et mesures, BIPM) järjestämissä konferensseissa (CGPM). Suomessa SI-järjestelmän toteutuksesta vastaa Mittatekniikan keskus.
SI-järjestelmän mittayksiköitä voi käyttää maailmanlaajuisesti, ja useissa maissa lainsäädäntö määrää niiden käytön. Toisaalta joissain yhteyksissä saatetaan yhä suosia muita mittayksiköitä: esimerkiksi moottorien tehot ilmoitetaan usein hevosvoimina, ja jopa Suomen aluevesiraja on määritetty meripeninkulmina. Myös ilmailussa korkeus ilmaistaan jalkoina ja nopeus solmuina. Britanniassa puolestaan on lain mukaan liikennemerkeissä yhä käytettävä maileja ja jaardeja (tosin nämä perinteiset brittiläisen järjestelmän mittayksikötkin on nykyään määritelty suhteessa SI-yksiköihin).
Yhdysvalloissa metrijärjestelmä laillistettiin jo vuonna 1866, mutta sitä ei ole otettu virallisesti käyttöön. SI-järjestelmä on silti alkanut saada jalansijaa luonnontieteiden ja lääketieteen sekä valtionhallinnon ja useiden teollisuusalojen piirissä. Yhdysvaltain lisäksi Liberia ja Myanmar (aiemmin Burma) ovat tiettävästi ainoat maat, joissa SI-järjestelmää ei ole virallistettu.
Mittaustekniikan kehittyessä SI-järjestelmän perusyksiköiden määritelmiä on erinäisiä kertoja muutettu. Nykyiset määritelmät vahvistettiin vuonna 2018, ja ne tulivat voimaan 20. toukokuuta 2019. Uusien määritelmien mukaiset perusyksiköt ovat kuitenkin käytännössä hyvin suurella tarkkuudella yhtä suuria kuin aikaisemmatkin.

Kirjoitussäännöt

SI-yksiköihin voidaan viitata käyttäen täydellisiä nimiä, jotka tarvittaessa mukautuvat kielikohtaisesti äänne- ja muoto-oppiin sekä oikeinkirjoitukseen (esimerkiksi suomeksi metri, sekunti, kilogramma, senttimetri, hertsi) tai virallisia tunnuksia, jotka kirjoitetaan aina samalla tavalla kielestä riippumatta (m, s, kg, cm, Hz). Esimerkiksi Euroopan unionin virallisessa viestinnässä mittayksiköiden nimet kirjoitetaan yleensä täydellisinä.
SI-järjestelmän tunnukset eivät ole varsinaisesti lyhenteitä, vaikka monet niistä on alun perin muodostettu lyhentämällä. SI-tunnusten käyttöön liittyy joitain erikoissääntöjä, jotka eivät koske tavanomaisia lyhenteitä, vaikka yleisesti ottaen lyhenteitä koskevat suomen oikeinkirjoitussäännöt ovat varsin yhdenmukaiset SI-järjestelmän sääntöjen kanssa. SI-järjestelmän mukaan tunnuksen perään ei esimerkiksi merkitä pistettä (jollei se päätä virkettä), mutta vastaavasti suomenkin oikeinkirjoitussääntöjen mukaan kaikki mittayksiköiden lyhenteet ovat pisteettömiä.
SI-yksiköitä kirjoitettaessa noudatetaan seuraavia sääntöjä:

Suur- ja pienaakkosten käyttö

Tunnukset kirjoitetaan pienaakkosin, paitsi jos yksikön nimi on johdettu erisnimestä, jolloin tunnuksen alkukirjaimena on suuraakkonen. Yksikön nimessä isoa alkukirjainta ei kuitenkaan käytetä (jollei se aloita virkettä). Esimerkiksi paineen mittayksikön tunnus on Pa (keksijä Blaise Pascalin mukaan), mutta yksikön nimi on pascal. Pienaakkosella kirjoitettu tunnus viittaa melkein aina toiseen yksikköön kuin vastaavalla suuraakkosella kirjoitettu tunnus: s = sekunti, mutta S = siemens (Werner von Siemensin mukaan). 
Poikkeuksellisesti litran tunnus voidaan kirjoittaa paitsi pienaakkosella (l) myös suuraakkosella (L), jos halutaan varmistaa, ettei se sekaannu numeroon 1 tai suuraakkoseen I.
Kerrannaisyksiköiden muodostamiseen käytettävät etuliitteet kirjoitetaan pienaakkosella kiloa eli tuhatkertaisuutta merkitsevään k-etuliitteeseen asti, mutta sitä suurempaa kerrannaisuutta osoittavat etuliitteet kirjoitetaan suuraakkosella: mm = millimetri (metrin tuhannesosa), mutta Mm = megametri (miljoona metriä). Miljoonasosaa merkitään erityisellä mikro-merkillä µ, joka  on (fontista riippuen) samannäköinen kuin kreikkalainen pienaakkonen myy (μ).

Kursivoinnin käyttö

Mittayksikön tunnusta ei koskaan kursivoida, vaikka se esiintyisi keskellä muuten kursivoitua tekstiä. Sen sijaan aina kursiivilla kirjoitetaan SI-järjestelmän suureiden tunnukset, kuten ajan tunnus t ja massan tunnus m. Kursivoitu tunnus tarkoittaa siis eri asiaa kuin kursivoimaton: s = sekunti, mutta s = matka; S = siemens, mutta S = näennäisteho.

Yksikkö liitetään lukuun välilyönnillä

Lukuarvon ja yksikön tunnuksen väliin kirjoitetaan sanaväli (mieluiten sitovana välilyöntinä). Tämä koskee myös celsiusasteen tunnusta: 10 °C. Poikkeuksellisesti kiinni lukuarvoon kirjoitetaan kulma-asteen, kulmaminuutin ja kulmasekunnin tunnukset: 30° 22′ 8″.

Desimaalierottimena pilkku tai piste

Alun perin SI-järjestelmä hyväksyi desimaalierottimeksi ainoastaan pilkun. Vuonna 1997 sallittiin vaihtoehtoisesti pisteen käyttö sellaisissa teksteissä, jotka ovat pääosin englanninkielisiä, ja vuonna 2003 sääntöä väljennettiin edelleen, niin että desimaalipistettä saa käyttää kielestä riippumatta, jos se on joissain tilanteissa tapana. Useimmissa Euroopan maissa desimaalierottimena käytetään silti pilkkua. 
Suomessa desimaalierotin on standardin SFS 4175 mukaan yhä nimenomaan pilkku. Suomen puolustusvoimat on kuitenkin siirtynyt käyttämään aseluokituksissaan desimaalipistettä, joten esimerkiksi 7,62 RK 62 on nykyään 7.62 RK 62.

Pitkät luvut voidaan jaksottaa välilyönnein

SI-järjestelmä suosittelee hyödyntämään yksiköiden etuliitteitä niin, että lukuarvot pysyvät 0,1:n ja 1 000:n välillä: 25 km; 0,25 mg. Jos pitkiä lukuja kuitenkin käytetään, ne voidaan selvyyden vuoksi jaotella kolmen numeron sarjoihin desimaalierottimen paikasta lähtien, vaikka SI-järjestelmä ei tätä varsinaisesti edellytä. Tällöin tuhaterottimena käytetään (sitovaa) välilyöntiä, ei pistettä tai pilkkua (joista kumpi tahansa voi esiintyä desimaalierottimena): 25 000 m; 0,000 25 g.

Lisätunnus liittyy suureeseen

Lisätunnusta ei voi liittää yksikön tunnukseen, mutta suureen tunnukseen sellainen voidaan liittää alaindeksinä: U (jännite), Ueff (tehollinen jännite); Ueff = 230 V (tehollinen jännite on 230 volttia). Jos alaindeksiä ei ole mahdollista käyttää, lisätunnus voidaan kuitenkin mainita sulkeissa yksikön tunnuksen jälkeen: U = 230 V (eff).

Yksikköjärjestelmien historia

Metrisen SI-yksikköjärjestelmän juuret ovat jo 1700-luvun lopussa, jolloin Ranskan kuningaskunnassa aloitettiin yksikköjärjestelmän järkeistystyö. Loppuun työ saatettiin vasta 1790-luvulla Ranskan suuren vallankumouksen jälkeen, jolloin määriteltiin metri ja kilogramma. Samalla niille rakennettiin mittanormaalit eli vertailukappaleet. Muutos oli suuri, sillä metri ja gramma kerrannaisyksiköineen korvasivat vaikeaselkoisen perinteisen mittajärjestelmän, jossa eri tavaralaatujen painoja, tilavuuksia ja mittoja käsiteltiin omina suureinaan. Samalla yksikköjärjestelmä muuttui kymmenkantaiseksi, mikä helpotti yksikkömuunnoksia. Seuraavalla vuosisadalla metrijärjestelmä tuli vähitellen käyttöön muissakin maissa varsinkin sen jälkeen, kun asiasta vuonna 1875 tehtiin kansainvälinen metrisopimus.
Nykyisen SI-järjestelmän perusyksiköistä yksi, sekunti, oli kuitenkin jo ollut käytössä kaikkialla Euroopassa jo kauan sitä ennen ja määritelty vuorokauden tiettynä murto-osana. Suunnitelmat vuorokautta lyhempien aikayksiköiden muuttamisesta kymmenkantaiseksi eivät toteutuneet. Kun sekunti tuli metrin ja kilogramman ohella kolmanneksi perusyksiköksi, nimitettiin käyttöön tullutta yksikköjärjestelmää MKS-järjestelmäksi. Kuitenkin myös sekunti on myöhemmin määritelty uudestaan.
Sähköopin kehitys 1800-luvulla teki tarpeelliseksi määritellä uusia yksiköitä. Vuonna 1832 Carl Friedrich Gauss laati ehdotuksen yksikkö­järjestelmäksi, jonka perus­yksikköinä olisivat olleet millimetri, gramma ja sekunti ja jossa muut, myös sähkö­suureiden yksiköt, olisi johdettu niistä. Vuonna 1874 brittiläiset tiede­miehet laativat James Clerk Maxwellin ja Thomsonin johdolla cgs-järjestelmän (lyhenne toisinaan C.G.S), jossa perus­yksiköt olivat senttimetri, gramma ja sekunti. Näistä johdettiin muut yksiköt samaan tapaan kuin Gaussin järjestelmässä. Cgs-järjestelmää käytettiin tieteellisissä yhteyksissä yleisesti 1960-luvulle saakka. Käytännön kannalta sen sähkö­suureiden yksiköt olivat kuitenkin epämukavaa koko­luokkaa, minkä vuoksi 1880-luvulla laadittiin niin sanottu käytännöllinen järjestelmä. Siihen sisältyivät muun muassa sähkö­virran yksikkö ampeeri, resistanssin yksikkö ohmi ja jännitteen yksikkö voltti.
Vuonna 1901 Giovanni Giorgi osoitti, että oli mahdollista yhdistää MKS-järjestelmä ja sähkö­yksiköiden käytännöllinen järjestelmä yhdeksi johdon­mukaiseksi yksikkö­järjestelmäksi. Kun ampeeri vahvistettiin järjestelmän neljänneksi perusyksiköksi, alettiin käyttää nimitystä MKSA-järjestelmä tai Giorgin järjestelmä. Vuonna 1954 kymmenes kansain­välinen mitta- ja paino­konferenssi vahvisti ampeerin ohella myös kelvinin ja kandelan perusyksiköiksi. Nimi SI-järjestelmä otettiin käyttöön vuonna 1960.
Erona cgs- ja SI-järjestelmien välillä on mekaniikan yksiköissä pelkkä vakiokerroin, joka on kymmenen potenssi. Sen sijaan sähköopin yksiköissä ero on suuri. Cgs-järjestelmässä voidaan määritellä joko sähköstaattiset tai sähkömagneettiset yksiköt. Sähköstaattisissa yksiköissä tyhjiön permittiivisyys on 1, kun taas sähkömagneettisissa yksiköissä tämä arvo annetaan tyhjiön permeabiliteetille. Monet sähkömagneettiset yksiköt kuitenkin erotti ampeeriin perustuvista SI-yksiköistä niin ikään vain vakiokerroin, joka oli kymmenen potenssi, kun taas sähköstaattiset yksiköt poikkesivat niistä täysin. Vaikka järjestelmä oli nykyistä monimutkaisempi, useat sähköopin kaavat saivat cgs-järjestelmässä yksinkertaisemman muodon kuin MKSA- ja SI-järjestelmässä.
Monilla tekniikan aloilla on paljon käytetty myös niin sanottua teknistä järjestelmää, jossa kolmantena perussuureena pituuden ja ajan lisäksi ei ollut massa vaan voima. Sen yksikkö, kilogramman voima (kgf) eli kilopondi (kp), määriteltiin voimaksi, jolla Maa vetää puoleensa 1 kg:n massaa. Täten esimerkiksi energian yksikkönä käytettiin kilopondimetriä ja tehon yksikkönä kilopondimetriä sekunnissa. Tähän järjestelmään perustui myös lisäyksikkö hevosvoima, joka vastasi 75 kilopondimetriä sekunnissa.
Viimeisin uusi perusyksikkö, mooli, lisättiin järjestelmään virallisesti vuonna 1971, mutta sekin oli ollut tieteellisissä yhteyksissä käytössä jo kauan ennen sitä.

Perusyksiköiden aikaisemmat määritelmät

Kun metrijärjestelmä 1790-luvulla otettiin käyttöön, tarkoitus oli, että metri olisi 1 / 10 000 000 matkasta maapallon päiväntasaajalta pohjoisnavalle pituuspiiriä pitkin. Käytännön syistä määritelmä kuitenkin sidottiin platinan ja iridiumin seoksesta valmistettuun perusmalliin. Vuonna 1960 metrille vahvistettiin ensimmäinen luonnonvakioon perustuva määritelmä. Sen mukaan metri oli 1 650 763,73 kertaa sen säteilyn (oranssin valon) aallonpituus tyhjiössä, joka vastaa krypton-86-atomin siirtymää energiatasojen 2p¹⁰ ja 5d välillä. Vuonna 1982 metrille vahvistettiin sekunnin määritelmään ja valonnopeuteen perustuva määritelmä, joka oli oleellisesti sama kuin nykyinen, mutta sanallisesti toisin muotoiltu.
Sekunti on vanhastaan määritelty yhdeksi 86 400:sosaksi eli 24 · 60 · 60:sosaksi keskiaurinkovuorokaudesta. Oleellisesti nykyisen kaltainen cesiumatomin säteilyn taajuuteen perustuva määritelmä vahvistettiin vuonna 1967.
Kilogramman oli alkujaan tarkoitus olla yhden vesilitran eli vesikuutiodesimetrin massa. Käytännön syistä sillekin valmistettiin perusmalli, ja tähän perusmalliin perustuva määritelmä oli voimassa vuoteen 2019 saakka.
Ampeeri oli vanhan määritelmän mukaan sähkövirta, joka kulkiessaan kahden äärettömän pitkän, yhdensuuntaisen ja toisistaan 1 metrin etäisyydellä olevan johtimen kautta aiheutti näiden välille 2 10⁻⁷ newtonin voiman pituusmetriä kohti. Määritelmä perustui siis sähkövirran magneettiseen vaikutukseen. Aikoinaan on ollut käytössä myös elektrolyysiin perustuva määritelmä, jonka mukaan yhden ampeerin virta vapautti hopeasuolaliuoksesta sekunnissa 1,118 milligrammaa hopeaa.
Mooli määriteltiin aikaisemmin ainemääräksi, jossa on yhtä monta perusosasta (atomia, molekyyliä tms.) kuin yhdessä grammassa hiili-isotooppia C₁₂ on atomeja. 
Kelvin on alun perin määritelty vanhemman lämpötila-asteikon, celsiusasteikon avulla niin, että lämpötilaeron lukuarvo on kelvineinä yhtä suuri kuin celsiusasteinakin, mutta kelvinasteikon nollapisteenä on absoluuttinen nollapiste. Täten veden jäätymispiste, 0 °C, vastaa 273,15 kelviniä. Myöhemmin kelvinasteikko määriteltiin uudestaan niin, että veden kolmoispiste oli 273,16 kelviniä (ja samalla +0,01 celsiusastetta).
Määritelmien uudistamista suunniteltaessa kilogrammalle ehdotettiin myös määritelmää, jonka mukaan kilogramma olisi 6,0221415/12 · 10²⁶ (eli 0,501845125 · 10²⁶) kertaa hiili-12-atomin massa. Tämä määritelmä olisi liittynyt läheisesti moolin määritelmään, sillä gramman ja atomimassayksikön suhde olisi ollut edelleen tarkalleen sama kuin Avogadron vakion luku­arvo.
Kandela oli aikaisemman määritelmänsä mukaan sellaisen säteilijän valovoima, joka lähettää tiettyyn suuntaan monokromaattista 540·10¹² hertsin taajuista säteilyä ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on 1/683 wattia steradiaania kohti (16. CGPM, 1979).
Kun perusyksiköille vuonna 2018 vahvistettiin nykyiset määritelmät, sekunnin, metrin ja kandelan määritelmät muotoiltiin vain yhtenäisyyden vuoksi sanallisesti uudelleen. Sen sijaan kilogramma, ampeeri, kelvin ja mooli määriteltiin aikaisemmasta oleellisesti eroavalla tavalla, joskin uusien määritelmien mukaiset yksiköt ovat hyvin suurella tarkkuudella yhtä suuria kuin aikaisemmatkin.