- Все можна виміряти
- Повернення до природних одиницям
- паризькі революціонери
- Народження метра і кілограма
- XIX століття
- абсолютні одиниці
- електричні одиниці
- народження SI
- Простір і Час
- Останній оплот механіки
Практика вимірювань майже так само стара, як людська історія. Економіка, заснована на суспільному розподілі праці і торгівлі, без вимірів існувати не може. Чудово повна (для свого часу) система заходів була створена в Стародавньому Вавилоні, звідки за допомогою фінікійських купців і мореплавців поширилася по всьому Середземномор'ю.
Практика вимірювань майже так само стара, як людська історія. Економіка, заснована на суспільному розподілі праці і торгівлі, без вимірів існувати не може. Вже перші великі цивілізації Месопотамії, Єгипту, Індостану і Китаю потребували створення загальноприйнятих і надійних способів визначення відстаней, земельних площ, ваги (або об'єму) зерна і металів. Чудово повна (для свого часу) система заходів була створена в Стародавньому Вавилоні, звідки за допомогою фінікійських купців і мореплавців поширилася по всьому Середземномор'ю.
Все можна виміряти
Для вимірювань необхідні опорні мітки - заходи. Щоб стати загальноприйнятими, вони повинні бути простими, зрозумілими і загальнодоступними. Тому спочатку з'явилися «природні» заходи, які можна було відтворити в будь-якому місці і в будь-який час. Історично ці одиниці насамперед зв'язувалися з якимись властивостями рослин, тварин і людей. Так, в давнину в багатьох місцях існувала міра земельної площі, яку називали «бичачий рев». Вона відповідала розмірам ділянки, в межах якого цей звук чітко чути. Знаменитий і все ще вживається англійська дюйм спочатку визначався як довжина трьох пшеничних зерен, взятих з середини колоса. Були заходи і складніше: наприклад, тисячі років тому в Китаї одиницею довжини служила порожниста бамбукова паличка, яка при свистку видавала певний тон.
З розвитком ремесел і торгівлі з'явилися і спеціально виготовлені одиниці - лінійки, мірні ємності, гирі. Їх введення зазвичай супроводжувалося угодами, а то і наказами. Скажімо, французький туаз - це спочатку «шість королівських кроків». Потім виготовлялися стабільні прототипи заходів, які могли відрізнятися один від одного (французький туаз приблизно на 15 см довше швейцарського). Природно, в результаті виходив сильний різнобій. В кінці XVIII століття в країнах Європи використовували 391 вагову одиницю, звану фунтом, і 282 одиниці довжини, що проходили як фут. В одному тільки Баденському герцогстві налічувалося 112 різних версій інший одиниці довжини - ліктя.
Повернення до природних одиницям
«Така основна тенденція в метрології в даний час - пояснив« Популярною механіці »Баррі Тейлор, який багато років очолював Центр фундаментальних констант Фізичної лабораторії NIST, а зараз представляє свій інститут в розташованому в Парижі міжнародному Консультативному комітеті по одиницях вимірювань (Comité Consultatif des Unités). - Зараз метрологи для реалізації еталонів основних одиниць намагаються покладатися на фундаментальні фізичні константи. Це, по-перше, забезпечує максимальну точність вимірювань, а по-друге, дозволяє з однаковою надійністю відтворювати еталонні одиниці в будь-якій лабораторії, яка має необхідним обладнанням ». Нова стратегія була офіційно затверджена в жовтні 2005 року на 94-й сесії Міжнародного комітету мір і ваг, який рекомендував перевизначити таким чином еталони кілограма, ампера, Кельвіна і благаючи. Цікаво, що її можна розглядати як повернення (на більш високому рівні, звичайно) до стародавнього методу використання природних одиниць. Воістину, пізнання розвивається по спіралі!
Уже в XVII столітті, коли в Європі зародилися точні науки, багато вчених розуміли, що велике розмаїття заходів гальмує економічний і технічний прогрес. Тоді ж стали пропонувати конкретні способи ліквідації цього хаосу. Однак ніхто не міг передбачити, скільки зусиль і часу знадобиться для вирішення цього завдання. Першим практичним кроком на шляху до бажаної мети стало створення метричної системи.
паризькі революціонери
Основи десяткового рахунку були закладені в давнину - це цілком природно, адже у людини на руках десять пальців. Однак офіційним народженням десяткової шкали вимірювань довжини прийнято вважати 1670 рік - її запропонував французький математик і астроном Габріель Мутон. П'ятьма роками пізніше працював в Польщі італійський архітектор і оптик Тіто Лівіо Бураттіні запропонував прийняти за загальну одиницю лінійних вимірювань довжину маятника, відлічує 3600 коливань в годину. Під сумнівом він розумів рух вантажу від однієї крайньої точки до іншої; в сучасній термінології це означає довжину маятника з секундним напівперіодом. Він назвав її Загальним метром (Metro Cattolico). Якщо скористатися шкільної формулою для періоду ідеального маятника і підставити туди величину прискорення вільного падіння, скажімо, на широті Москви, то вийде, що еталон Бураттіні розходиться в довжині з сьогоднішнім метром лише приблизно на півсантиметра (на практиці цей спосіб не годиться: в різних місцях земної кулі маятник гойдається по-різному). З подібними ідеями в 1660 році виступило Лондонське королівське товариство, а в 1668-м - французький астроном Жан Пікар. Бураттіні першим усвідомив, що універсальну одиницю довжини треба визначати не шляхом простого угоди, а на основі природного і надійно відтвореного зразка.
Ідея виявилася хороша, і її дуже рано спробували реалізувати в Росії. У 1736 році, за царювання Анни Іоанівни, сенатським указом було створено комісію з мір та ваг, яку очолив директор Монетного двору граф Михайло Головкін. В її роботі брали участь багато членів Російської Академії наук, включаючи Леонарда Ейлера. Члени комісії обговорювали використання природних одиниць (сажень пропонувалося визначити як певну частку меридіана, а фунт - як вага заданої кількості води), а також кратних і часткових одиниць на десяткового основі. Однак для реалізації цих пропозицій у комісії не було ні грошей, ні обладнання. Після воцаріння Єлизавети комісію розпустили, а дослужився до посади віце-канцлера Головкіна заслали в Якутії.
В кінцевому рахунку метрична система стала дітищем Французької революції. Нова паризька влада усвідомила необхідність навести порядок в середньовічних одиницях вимірювань (число яких сягала чверті мільйона!) І прийняти єдину загальнонаціональну систему мір і ваг. 9 березня 1790 Шарль Моріс Талейран, згодом знаменитий дипломат, а тоді єпископ Отенскій, запропонував Національним зборам план її створення, який і був прийнятий депутатами.
Народження метра і кілограма
Назва «метр» (від грецького metron - міра) в 1790 році придумав паризький викладач математики Леблон. 19 березня 1791 року академічна Комісія мір і ваг в складі зірок французької науки Лагранжа, Лапласа, Борда, Монжа і Кондорсе обрала основною одиницею довжини одну десятимільйонну долю квадранта паризького меридіана і рекомендувала виміряти довжину дуги меридіана від Дюнкерка до Барселони на довготі Парижа. Геодезичні заміри меридіана почалися в 1792 році, але в зв'язку з непростою політичною і військовою обстановкою затягнулися до 1798 року. Тому в 1793-м довелося ввести тимчасовий метр, обчислений на основі колишніх геодезичних вимірювань. Тоді ж колишній королівський ювелір Етьєн Ленуар виготовив з міді перший еталон.
Еталон кілограма майже 120 років зберігається у Франції. За цей час його маса зменшилася на чималу величину (до 0,1 мг). Це циліндр з платиново-іридієвого сплаву 3,9 см заввишки і в діаметрі. Для вчених плаваюча одиниця виміру - велика перешкода, яка відбивається на результатах точних робіт. Багато еталони (зокрема, метр) з часом були вдосконалені. Один з претендентів на роль нового зразка кілограма - куля з кристала ізотопу кремнію-28, створений німецькими вченими з Інституту вирощування кристалів. Такий еталон включав би атоми одного типу і мав фіксовану масу.
За пропозицією Лапласа для обробки даних Академія запросила вчених з Італії, Іспанії, Нідерландів, Данії та Швейцарії (що стало першою в історії міжнародної науковою конференцією), і весною 1799 роки з'явився офіційний еталон довжини. Але через невелику помилки в промірах і складної форми земної кулі метр виявився приблизно на 0,2 мм коротше своєї планованої величини (тимчасовий метр 1793 був точніше!). Виготовлення еталонів з платинових брусків перетином 25,3х4 мм знову доручили Ленуару. 22 червня 1799 року найкращий з них (помилка не перевищувала 0,001%) в урочистій обстановці передали на зберігання в Республіканський архів.
В якості одиниці маси хімік Антуан Лавуазьє і кристаллограф Рене Жюст Айі запропонували в 1793 році французькою Комісії мір і ваг використовувати грам - масу одного кубічного сантиметра чистої води при температурі плавлення льоду. Для зручності практичного використання вже згадуваний Ленуар виготовив еталонну мідну гирю масою в 1000 р З 1795 року нову одиницю маси стали називати кілограмом. Через чотири роки було прийнято пропозицію фізика Луї Лефевра-Гиньо зважувати воду при температурі її максимальної щільності (4 ° C). Новий еталон кілограма був виготовлений із платини і поміщений на зберігання до Архіву Республіки. Були також зроблені кілька його копій для використання в якості зразків при виготовленні гир. Однак вироблені в XIX столітті вимірювання показали, що маса 1 дм води на 0,028 г менше маси архівного еталона. Щоб не допустити в майбутньому ніяких різночитань, Міжнародна комісія по стандартам метричної системи в 1872 році вирішила прийняти в якості одиниці маси масу прототипу - Архівного кілограма.
XIX століття
Більше 80 років архівний метр був єдиним в світі еталоном метра, а після 20 травня 1875 року представники 17 країн (в тому числі і Росії) підписали в Парижі Метричну конвенцію і заснували кілька міждержавних метрологічних організацій. У 1877 році лондонська фірма Johnson, Matthey and Co. виготовила кілька платиново-іридієвих лінійок Х-образного перетину, одна з яких виявилася лише на 6 мкм коротше архівного метра (її використовували як тимчасовий еталон), а в 1882-му було зроблено ще 30 лінійок, серед яких знайшлася практично точна копія архівного метра. У 1889 році Перша Генеральна конференція з мір та ваг постановила вважати довжину цієї лінійки при температурі 0 ° C метричної одиницею довжини.
У стронцієвих оптичних годиннику іони стронцію поміщені в оптичну пастку на перехресті шести лазерних променів. Під впливом електромагнітних хвиль лазерів іони міцно «сидять» в енергетичних ямах, слабо взаємодіючи один з одним і випромінюючи блакитне світло з частотою близько 429 терагерц. Стронцієві годинник в тисячу разів точніше цезієвого, використовуваних сьогодні як еталон часу і частоти. Можливо, незабаром еталон буде замінений.
У 1880 році побачив світ міжнародний еталон кілограма зі сплаву, що складається з 90% платини і 10% іридію, тоді ж були виготовлені і чотири з шести нині існуючих офіційних копій цього еталону. Всі вони зараз зберігаються під двома герметичними скляними ковпаками в сейфі, розташованому в підвалі Міжнародного бюро мір і ваг (Bureau International des Poids et Mesures - BIPM) в Севрі неподалік від Парижа. У 1889 році 1-я Генконференції з мір та ваг прийняла ухвалу кілограма як рівного масі міжнародного зразка. Це визначення чинне і в наш час.
абсолютні одиниці
На першому етапі метричній системі довелося подолати опір консерваторів, за якими стояли сила традицій і звички. «Немає нічого більш неприємного пристрою людського розуму, пам'яті і уяви ... Нова система заходів і терезів стане перешкодою і джерелом труднощів для кількох поколінь», - говорив про неї Наполеон Бонапарт.
електричні одиниці
Визначення основної електричної одиниці - ампера - залишається незмінним з 1948 року. Це сила постійного струму, який при проходженні по двох розташованим у вакуумі і віддаленим на метр один від одного паралельних прямолінійних провідниках нескінченної довжини і нехтує малою площею перетину змушував би їх притягатися один до одного з силою в дві десятимільйонна частки ньютона в розрахунку на метр довжини. Зрозуміло, виготовити еталон на базі цього визначення неможливо, але, на щастя, і не потрібно. Ампер можна реалізувати за допомогою вимірювання силового взаємодії між струмами будь-якої конфігурації, якщо тільки правильно розрахувати геометрію приладу. У Радянському Союзі був прийнятий Державний первинний еталон ампера, який був реалізований за допомогою струмових ваг, що відтворюють ампер з точністю до 10-5. Такий же прилад був встановлений в британській Національній фізичній лабораторії в Теддінгтоні (зараз - Національна лабораторія вимірювань). У США ампер спочатку був відтворений через еталонний вольт (дуже стабільні електричні батареї) і еталонний Ом (прецизійні дротові резистори), виготовлені та відкалібровані в Національному бюро стандартів (сучасний NIST). Ставлення вольта і Ома дало еталонний ампер з точністю 10-7. В даний час як в США, так і в інших країнах вольт реалізують за допомогою квантового низькотемпературного ефекту Джозефсона, а му - за допомогою квантового ефекту Холла (такий стандарт з 1990 року прийнято в усьому світі). Це дозволяє відтворювати ампер з відхиленням, що не перевищує 10-9. Однак не виключено, що в майбутньому визначення ампера переглянуть, висловивши його через елементарний заряд електрона.
Становленню метричної системи дуже допомогли німецький математик Карл Фрідріх Гаус і його колега по Геттінгенського університету фізик Вільгельм Вебер. У 1832 році Гаус, який тоді займався дослідженням земного магнетизму, зауважив, що магнітним вимірам бракує надійної основи. Усі проведені Гауссом експерименти спиралися на ефекти механічного впливу магнітного поля (скажімо, поворот магнітної стрілки), і він запропонував ввести нову систему одиниць (назвавши її абсолютної), в якій метричні одиниці довжини і маси разом з секундою були взяті в якості основних, а все інші, в тому числі і магнітного поля, визначалися через них як похідні на основі відомих фізичних законів. Гаусс рекомендував ввести десяткові шкали для всіх фізичних одиниць (крім секунди, яка з XIII століття визначалася як 1/86400-я частина середньої сонячної доби).
Ідеї Гаусса і Вебера підхопили британські фізики Джеймс Максвелл і Вільям Томсон, майбутній лорд Кельвін. У 1860-і роки вони запропонували розробити всеосяжну систему одиниць для фізичних вимірювань на базі гауссовской тріади. Так виникла система CGS (сантиметр, грам, секунда), разом з якою увійшли в обіг приставки від «мікро» до «мега». У 1874 році її затвердила Британська асоціація в підтримку науки. Ще через кілька років це товариство домовилося з 1-м Міжнародним конгресом електриків про введення так званих практичних одиниць, які утворювалися шляхом множення електромагнітних одиниць CGS на цілі ступеня десяти і ставали більш зручними для електротехнічних вимірювань. У їх число увійшли одиниці опору (ом), напруги (вольт) і сили струму (ампер).
народження SI
Деякий час практичні одиниці існували в стороні від метричних. Але в 1901 році італійський інженер Джованні Джорджі показав, що будь-яку з них можна додати до метру, кілограму і секунді і отримати нову систему, що має бездоганну логічну структуру і пристосовану для потреб техніки. Центральне положення в новій системі, на думку Джорджі, повинні займати практичні енергетичні одиниці - ват і джоуль (останній був визначений 2-м Міжнародним конгресом електриків в 1889 році як механічний еквівалент електричної та теплової енергії).
Ідеї Джорджі обговорювалися без малого півстоліття і були остаточно прийняті Міжнародним комітетом мір і ваг лише в 1946 році. В якості четвертої опори (основний одиниці) нової системи була обрана практична одиниця сили струму, ампер, певна резолюцією 9-й Генконференції з мір та ваг (1948). Відповідно до традиції цю систему назвали MKSA (метр, кілограм, секунда, ампер).
Трохи пізніше в MKSA вирішили додати одиниці температури і сили світла. В принципі для цього достатньо енергетичних одиниць (фізики з рівним успіхом висловлюють енергію частинок і в електронвольтах, і в градусах), але для метрології потрібні реалізовані на практиці ідеали. У 1954 році 10-я Генеральна конференція з мір та ваг затвердила в цій якості коливань і кандела. Ця пара плюс ще чотири основні одиниці MKSA і стали фундаментом системи Systeme International d'Unites (SI або СІ), спадкоємиці Метричної конвенції 1875 року офіційно затвердженої в 1960 році на 11-й Генконференції з мір та ваг в Парижі. У 1971 році до цієї шістці додали ще й одиницю кількості речовини - моль. Крім того, в SI увійшли додаткові безрозмірні одиниці для вимірювання плоских і тілесних кутів - радіан і стерадіан.
Простір і Час
Система SI існує немного более 50 років, проти за цею годину деякі одиниці віміру довелося перевізначіті. Зокрема, метрова лінійка вже близько півстоліття не є еталоном довжини. У 1948 році 9-а Генеральна конференція з мір та ваг рекомендувала ввести еталон, який базується на оптичних вимірах, і в 1960-му за метр прийняли 1 650 763,73 довжини хвилі випромінювання криптону-86, що генерується при переході оболонкових електронів з рівня 2p10 на рівень 5d5. Але і це визначення протрималося недовго. Через два десятка років після його введення метрологи прийшли до висновку, що довжину метра слід визначити на основі еталона часу, оскільки атомний годинник тоді забезпечували більшу точність, ніж інтерференційні лінійки. У підсумку в 1983 році метр визначили як відстань, яку світло проходить у вакуумі за 1/299792458 частку секунди. Таким чином, основою метрологічного еталона став постулат спеціальної теорії відносності, який стверджує, що швидкість світла у вакуумі є фундаментальною світової константою.
Сама секунда теж з 1967 року не є 1/86400 частиною доби, а визначається, як 9 192 631 770 періодів випромінювання, відповідного переходу між двома рівнями надтонкої структури ізотопу цезію з атомним вагою 133. У 1997 році Міжнародне бюро мір і ваг уточнило, що в цьому визначенні фігурує атом цезію, який спочиває при нульовій абсолютній температурі. У новітніх моделях цезієвого годинника (їх називають фонтанними) ця вимога майже ідеально реалізується за допомогою лазерного охолодження атомів. Еталонні цезієві годинник американського Національного інституту стандартів і технології (NIST) зараз забезпечують відносну точність відтворення одиниці часу - секунди на рівні ~ 3,3х10-16. «Це найточніший годинник у світі, - каже Віталій Пальчиков, начальник відділення метрології часу і простору ФГУП« ВНИИФТРИ »(Всеросійський НДІ фізико-технічних і радіотехнічних вимірювань). - Наші еталонні годинник поступаються їм майже в 100 разів: російський державний стандарт часу і частоти - цезієві годинник 'без охолодження' - має відносну точність 3х10-14. Але найближчим часом ми маємо намір ліквідувати відставання, побудувавши фонтанний цезієвий еталон. А взагалі, найкращу перспективу на найближче майбутнє мають оптичні стандарти частоти, засновані на переходах в одноразових іони ртуті, ітербію або стронцію або в нейтральних атомах стронцію або ртуті - вони надзвичайно стабільні в часі. Уже зараз точність окремих експериментальних зразків досягає 2х10-15 секунди і навіть вище, а теоретично вони здатні забезпечити точність відтворення одиниць часу і частоти на рівні 10-17-10-18 ».
Останній оплот механіки
Єдиний «механічний» еталон - це кілограм. Але навіть маса головного міжнародного еталона з часом змінюється - до теперішнього часу вважається, що він «схуд» на 50 мкг за рахунок мікропереноса речовини на поверхню підставки під час зберігання, а також на поверхню захоплень, якими його переміщують при звірці з національними еталонами.
Все це може спотворювати результати надточних наукових розрахунків, тому вчені замислюються про необхідність дати нове визначення кілограму. У 1975 році доктор Брайан Кіббл з Національної фізичної лабораторії (NPL) Великобританії запропонував ідею так званих ват-ваг. Цей пристрій дозволяє зв'язати між собою одиниці електричної і механічної потужності. «Цей зв'язок - основа метрології, - пояснює« Популярною механіці »провідний науковий співробітник Всеросійського НДІ метрології ім. Д.І. Менделєєва Едмунд Француз. - Ваги складаються з двох котушок, взаємодіючих між собою при протіканні електричного струму. На відміну від струмових ваг, тут використовується додаткове калібрування при русі котушки з відомою швидкістю в еталонному магнітному полі. За рахунок цього вдається істотно зменшити помилку вимірювання сили взаємодії, обумовлену геометрією котушки. Таким чином можна висловити кілограм через електричні одиниці, виміряні на основі квантових ефектів, тобто через фундаментальні константи, - це дозволить позбутися від «механічного» еталона. Поки що працюють ват-ваги реалізовані в США в NIST і в NPL, але на даний момент найменша похибка їх вимірювань становить 3,6х10-8, що мінімум в два рази гірше, ніж необхідно для еталона ». Інший спосіб перевизначити кілограм запропонувала група вчених з Німеччини, Австралії, Італії та Японії під керівництвом дослідників з Фізико-технічного інституту Німеччини. Вони мають намір використовувати «метод Авогадро», тобто визначити кілограм як енну кількість атомів. «Основні труднощі цього методу в тому, що потрібно побудувати ідеальну кристалічну решітку, - говорить Едмунд Француз, - без єдиного дефекту, і до того ж з одного ізотопу - кремнію-28. Відносна похибка цього методу поки що занадто велика - 3,1х10-7. До речі, було ще один напрямок, яке розроблялося у нас у ВНИИМ і в Японії, - метод левітірующіе надпровідникової маси, який забезпечував точність порядку 4х10-6. Але з різних причин дослідження не були завершені в жодній з країн ». Так що кілограм поки залишається останнім чисто механічним еталоном.
Стаття «Вища міра» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2008 ).
