Attīstoties lauksaimniecībai, celtniecībai un tirdzniecības sakariem, radās nepieciešamība pēc mērīšanas. Bija jāvienojas par lauksaimniecības zemju platībām, celtņu plāniem, pārdoto preču daudzumu un termiņiem, kad vienošanās ir jāizpilda. Mēriem vajadzēja būt tādiem, kas vienādi saprotami dažādās vietās un dažādiem cilvēkiem. Sākotnēji par šādiem mēriem kalpoja dabiskas, visiem pieejamas lietas. Piemēram, garumu mērīja pēdās vai, lai vienmēr nebūtu jāliecas pie zemes, olektīs. Olekts ir attālums no cilvēka rokas pirkstu galiem līdz elkonim. Senos tekstos olekti sauc arī par elkoni. Vecās Derības Otrajā Laiku grāmatā, kas uzrakstīta pirms divarpus tūkstošiem gadu, varam lasīt, ka Zālamana tempļa garums bija sešdesmit elkoņu un platums – divdesmit elkoņu. Tas nozīmē, ka, zinot Senajā pasaulē lietoto mēru sistēmu, mūsdienās ir iespējams rekonstruēt tūkstošiem gadu senas celtnes. Taču jāpiekrīt, ka šādi mēri ļauj tikai ļoti aptuveni uzzināt ēkas izmērus. Elkoņi dažādiem cilvēkiem var būt dažādi. Radās dabiska nepieciešamība vienoties par kopīgu un precīzi nosakāmu mērvienību sistēmu. Sākotnēji Senajā Ēģiptē par elkoņa garuma etalonu tika nolemts pieņemt faraona elkoņa garumu. Tomēr arī šis etalons nebija īpaši drošs. Faraoni, lai arī dieviem līdzīgie, tomēr bija mirstīgi, un katra nākamā faraona elkoņa garums neizbēgami bija atšķirīgs.

Mūsdienu pasaulē gan zinātnē, gan tehnoloģiju jomā, gan ar zināmiem izņēmumiem arī starptautiskajā tirdzniecībā tiek izmantota Starptautiskā mērvienību sistēma SI (franču Système International d'Unités). Pieminot izņēmumus šīs sistēmas lietošanā komercijā, jāatceras, ka naftas cenas un apjomus starptautiskajā tirdzniecībā joprojām mēra mucās jeb barelos. Mūsdienās plaši lietotā SI sistēma, tolaik saukta arī par metrisko mērvienību sistēmu, tika oficiāli pieņemta 1799. gadā Francijā. 1875. gadā, 17 valstīm parakstot vienošanos, tika izveidots metra etalons. Metrs tika definēts kā viena desmitmiljonā daļa no īsākā attāluma no Ziemeļpola līdz ekvatoram pa līniju, kas iet caur Parīzi. Praktiski metra etalons bija izveidots kā platīna stienis, kas glabājās Parīzē. Savukārt 1889. gadā pēc Starptautiskās ģeodēzijas asociācijas iniciatīvas to nomainīja 30 identiski stieņi, kas bija veidoti no platīna un irīdija sakausējuma un nogādāti dažādās pasaules vietās. Līdzīgi arī kilograma etalonu, kas sākotnēji tika definēts kā viena kubikdecimetra (viena litra) destilēta ūdens masa, 1889. gadā aizstāja ar standarta cilindra masu, kas tāpat tika izgatavots no platīna un irīdija sakausējuma. Arī kilograma etalonam tika radīti sekundārie etaloni – pamata etalona kopijas, kas glabājās dažādās valstīs. Etalonus pavairojot, ir grūti panākt, lai tie neatšķirtos no pamatetalona, un praktiski nav iespējams nodrošināt to nemainību laikā. Arī cieta viela, lai gan ļoti lēni, bet izgaro. Tas nozīmē, ka šādi izveidota kilograma etalona masa laika gaitā samazinās, un uz tā pamata balstītā mērvienību sistēma nav pietiekami precīza. Bez tam šāda etalona kopija fiziski ir jānogādā tajā vietā, kur mēs gribam to izmantot.

Tādēļ 20. gs. otrajā pusē sākās darbs, kas noslēdzās tikai 2019. gadā, lai izveidotu mērvienību sistēmu, kas nav atkarīga no fiziskiem artefaktiem, bet balstās uz universālām un, kā mēs šobrīd domājam, nemainīgām fundamentālām fizikas konstantēm. Vēl viena šādu mērvienību definīcijas priekšrocība ir tā, ka, zinot definīciju, mērvienības etalonu var atkārtoti izveidot jebkurā vietā pasaulē un, ja tāda nepieciešamība kādreiz rastos, darīt zināmu kādām citām tālām civilizācijām, kurām nodot fizisku etalona kopiju varētu būt grūti. Par šādām radikālām mērvienību sistēmas izmaiņām Ģenerālajā svaru un mēru konferencē 16.11.2018. Versaļā, Francijā, vienbalsīgi lēma visas konferences 60 dalībvalstis. Šis lēmums noslēdza 150 gadus ilgus centienus izveidot tādu mērvienību sistēmu, kas nebalstītos uz cilvēku veidotiem fiziskiem etaloniem (kā no metāla veidots metrs vai cilindrs ar masu viens kilograms), bet gan fundamentālos fizikas likumos un kas tiek reprezentētas ar universālām fizikas konstantēm.

Šo konstanšu vērtības nosaka ar starptautisku vienošanos, likumu, un tās izmanto, lai definētu mērvienības. Rodas jautājums, kā, izmantojot fundamentālās fizikas konstantes, var definēt mērvienību sistēmu? Piemēram, kā metra etalona pamatā var būt gaismas ātrums, izteikts metros sekundē? Tas taču ir atkarīgs no tā, cik garš ir metrs un kādam laika intervālam atbilst viena sekunde. Turklāt gaismas ātrums ir lielums, ko cenšamies izmērīt ar aizvien lielāku precizitāti. Kā iespējams to noteikt kā zināmu un nemainīgu?

Var rīkoties šādi – kad gaismas ātrums un citas pieminētās fizikas konstantes ir gana precīzi nomērītas, vienojas, ka no tā brīža šīs fundamentālās konstantes vairs netiks precizētas, pieņemot to vērtības kā definētas. Tādējādi gaismas ātrumu vakuumā definēsim kā c = 299 792 458 metri sekundē. Tagad tas ir fiksēts lielums, un to var izmantot, lai noteiktu garumu – definētu metru. Saskaņā ar šo definīciju viens metrs ir tāds attālums, kādu gaisma vakuumā veic laika intervālā 1/c = 1/299792458 sekundēs. Tas ir universāls etalons. Gaismas ātrums vakuumā nav atkarīgs no vietas uz Zemes, kur to mēra, un nav nepieciešams pārvadāt metāla metra etalonu, lai uzzinātu, cik garš ir viens metrs. Protams, praktiski nav ne vienkārši, ne arī ērti šādi mērīt viena metra garumu. Tādēļ metra etalona praktiskai realizācijai izmanto citu pieeju. Lai šādi praktiski noteiktu metra garumu, ir jāvienojas arī par sekundi – cik garš laika intervāls tas ir. Lai definētu sekundi, noder supersīkstruktūras pārejas frekvence cēzija atomā ar kodola masu 133. Cēzija izstarotā viļņa frekvence ir ļoti precīzi nomērīta un pieņemta kā fiksēta, definēta vērtība, kas ir vienāda ar 9 192 631 770 svārstībām sekundē. Tātad var teikt, ka viena sekunde atbilst cēzija atoma starojuma 9 192 631 770 periodiem.

Šāda sekundes un metra definīcija, fiksējot cēzija atoma starojuma frekvenci un gaismas ātrumu, protams, nenozīmē, ka, zinātnei un tehnoloģijām attīstoties, pārstāsim starojuma frekvenci un gaismas ātrumu noteikt ar aizvien lielāku precizitāti. Fiziķu mērķis vienmēr bijis savu mērījumu precizitāti arvien palielināt. Vienīgi tagad, kad šo konstanšu vērtības ir fiksētas, šos mērījumus saprotam citādi. Piemēram, runājot par gaismas ātrumu, neprecizē gaismas ātruma skaitlisko vērtību, bet palielina metra etalona precizitāti.

Starptautiskā mērvienību sistēma SI šobrīd pasaulē ir vispāratzīta gan zinātnē, gan sadzīvē. To mēdz saukt arī par metriski decimālo mērvienību sistēmu. Šāds mērvienību sistēmas nosaukums atspoguļo faktu, ka, veidojot mērvienību sistēmu, sākotnēji tās pamatā tika liktas trīs mērvienības – metrs, sekunde un kilograms. Lielākas un mazākas mērvienības tiek veidotas, par pamatu izmantojot skaitli desmit. Piemēram, desmitā daļa no metra ir decimetrs, desmitā daļa no decimetra – centimetrs, desmitā daļa no tā – milimetrs. Tāpat veido lielākas mērvienības.

Taču SI mērvienību sistēma nav vienīgā praksē izmantotā mērvienību sistēma. Pat zinātnē, kur SI sistēma ir izteikti dominējoša, dažās apakšnozarēs, kas galvenokārt saistītas ar elektromagnētismu, joprojām dažreiz izmanto CGS (centimetrs, grams, sekunde) mērvienību sistēmu. Šī sistēma atšķiras no SI ne tikai ar to, ka pamatmērvienība nav metrs, bet centimetrs un ka kilograma kā pamatmērvienības vietā tiek lietots grams, bet galvenokārt ar to, ka, atšķirīgi no SI sistēmas definējot elektriskā lādiņa, elektriskā un magnētiskā lauka mērvienības un vēl dažus citus fizikālus lielumus, virkni elektromagnētisma likumsakarību CGS sistēmā var pierakstīt ar vienkāršākām formulām. Piemēram, Kulona likumu, kas apraksta, kāds spēks darbojas starp divām lādētām daļiņām, CGS sistēmā pieraksta vienkāršākā formā nekā SI sistēmā. Savukārt elektromagnētisma pamatlikumi jeb Maksvela likumi SI sistēmā tiek pierakstīti vienkāršākā formā nekā CGS sistēmā.

Lai arī Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV), Lielbritānijā un vēl dažās valstīs SI sistēmai ir piešķirts oficiālās mērvienību sistēmas statuss, sadzīvē bieži tiek izmantotas citas mērvienības. Lielbritānijā sadzīvē lietotā mērvienību sistēma tiek saukta par Imperiālo mērvienību sistēmu. Tās saknes rodamas Romas Impērijas laikos. Šo mērvienību sistēmu pamatoti var uzskatīt par arhaisku. Šajā sistēmā garums tiek mērīts tādās vienībās kā colla, pēda, jards, jūdze un jūras jūdze. Arī attiecības starp lielākām un mazākām vienībām nav decimālas. Piemēram, vienam jardam, kas metriskajā mērvienību sistēmā ir 0,9144 metri, atbilst 3 pēdas vai 36 collas. Tilpuma vienības, piemēram, galoni (4,546 litri) un pintes (0,56826 litri), Imperiālajā mērvienību sistēmā tiek veidotas neatkarīgi no garuma vienībām –, tās nav saistītas ar kubikcollu vai kubikpēdu.

Situāciju sarežģī tas, ka ASV sadzīvē lietotajā mērvienību sistēmā, lai arī pēc mērvienību nosaukumiem tā atgādina Lielbritānijā pieņemto mērvienību sistēmu un ir no tās radusies, konkrēto mērvienību lielums bieži atšķiras no Lielbritānijā pieņemtajiem. Piemēram, šķidruma tilpuma mērvienība, ko ASV tāpat kā Lielbritānijā sauc par galonu, ASV atbilst 3,785411784 litriem. Līdzīgi ir ar citām mērvienībām, tāpēc jāsaprot, kā konkrētajā gadījumā ir definēts, piemēram, garuma mērs pēda tādēļ, ka pēdas definīcija var atšķirties.

Šobrīd plaši lietotās Starptautiskās mērvienību sistēmas pamatu veido septiņas mērvienības, kuras definē ar septiņu fundamentālu fizikas konstanšu vērtībām:

1) laika mērvienība sekunde, ko definē ar cēzija atoma izstarotā elektromagnētiskā viļņa frekvenci; 2) garuma mērvienība metrs, kuru definē gaismas ātrums; 3) masas mērvienība kilograms, ko definē ar Planka konstanti; 4) strāvas stipruma mērvienība, kuru definē ar elektrona elektriskā lādiņa palīdzību; 5) temperatūras mērvienība Kelvina grāds, kuru definē ar Bolcmaņa konstantes palīdzību; 6) vielas daudzums mols, kuru definē ar Avogadro skaitļa palīdzību; 7) starojuma intensitātes mērvienība kandela, ko definē ar konstanti, kas raksturo monohromatiska starojuma ar frekvenci 540 x 10¹² Hz efektivitāti.

Praksē ikdienā, bet vēl biežāk zinātnē, nākas saskarties ne tikai ar pamatvienībās viegli izsakāmiem lielumiem – daži kilogrami masas, daži metri u. c. –, bet arī ar ļoti mazām šo pamatmērvienību daļām vai, gluži pretēji, ar ļoti lieliem skaitļiem, piemēram, mērot attālumu līdz tāliem objektiem kosmosā. Tādēļ pastāv vienošanās, kā veidot nosaukumus ļoti lielam skaitam pamatmērvienību vai ļoti mazām pamatmērvienību daļām. Kopsavilkums par šādu daudzkārtņu veidošanu atrodams tabulā.

No SI sistēmas pamatmērvienībām, tās kombinējot, tiek veidotas daudzas atvasinātas mērvienības. Piemēram, lai apzīmētu enerģiju, kuras mērvienība SI sistēmā ir džouls, izmanto tādas pamatmērvienības kā kilograms, metrs un sekunde. Strāvas pretestību, kuras mērvienība ir oms, veido, izmantojot pamatmērvienību kilograms, metrs, sekunde un ampērs.

Starptautiski pieņemto mērvienību sistēmu pārrauga Starptautiskais svaru un mēru birojs, kas 19.01.2021. apvienoja 63 dalībvalstis un 39 asociētās dalībvalstis. Latvija, atšķirībā no tās kaimiņvalstīm Igaunijas un Lietuvas, šajā organizācijā piedalās kā asociētā dalībvalsts. Latviju Starptautiskajā svaru un mēru birojā pārstāv Latvijas Nacionālā metroloģijas centra Metroloģijas birojs. Starptautiskais svaru un mēru birojs reizi četros gados sasauc Ģenerālo svaru un mēru konferenci, kam pieder augstākā lēmējvara jautājumos, kas saistīti ar Starptautisko mērvienību sistēmu. Asociētās dalībvalstis šajā konferencē var piedalīties novērotāja statusā bez balsstiesībām.

Starptautiskā mērvienību sistēma, kurā mērvienību lielumi tiek noteikti ar fundamentālām fizikas konstantēm, šķiet pilnībā viennozīmīga. Taču tajā iespējama viena principiāla problēma, kas saistīta ar pašām fundamentālajām fizikas konstantēm. Terminā lietotais vārds “konstante” paredz, ka šie fizikālie lielumi paši ir laikā un telpā nemainīgi. Piemēram, elektrona lādiņš ir bijis nemainīgs no Visuma rašanās brīža, un tāds paliks arī nākotnē. Fiziķi par to nav pārliecināti. 21. gs. sākumā vairākos neatkarīgos eksperimentālos pētījumos, kuru rezultāti tika publicēti nozīmīgākajos zinātniskajos žurnālos, tika iegūti dati, kas radīja šaubas, vai tāda fizikas konstante kā sīkstruktūras konstante, kas apvieno trīs fundamentālās konstantes – gaismas ātrumu vakuumā c (SI sistēmā definē metru), Planka konstanti ℏ (SI sistēmā definē kilogramu) un elektrisko lādiņu e (SI sistēmā definē ampēru) –, patiešām ir laikā nemainīga. Sīkstruktūras konstantes saistību ar fundamentālajām pamatkonstantēm, kuras definē pamatmērvienības, var uzrakstīt šādi:

Šī konstante atšķiras no citām, jo tai nav mērvienības, tā ir bezdimensionāla. Konstanti veidojošo fundamentālo fizikas konstanšu mērvienības formulā saīsinās. Tātad jautājums, vai sīkstruktūras konstante patiešām ir konstante vai arī eksperiments ļauj domāt, ka tā varētu mainīties laikā, ir ļoti svarīgs. Ja tā mainās laikā, tad pieņēmums, ka tās sastāvā ietilpstošās fundamentālās konstantes ir patiešām konstantes un laikā nemainās, ir apšaubāms. Atliek konstatēt, ka eksperimentu precizitāte šobrīd, 2022. gadā, ir uz robežas, lai varētu droši apgalvot vai noliegt sīkstruktūras konstantes mainību laikā. Taču, pat ja tā laikā tomēr mainās, pats fakts, ka šī mainība ir uz visprecīzāko eksperimentu robežas, ļauj apgalvot, ka izmaiņas ir ārkārtīgi niecīgas un tās neietekmē metroloģijas praktiskos pielietojumus.