Метр (или meter в американском написании ; символ: m ) — базовая единица длины в Международной системе единиц (СИ ) . С 2019 года метр определяется как длина пути, пройденного светом в вакууме за промежуток времени 1/299 792 458 секунды , где секунда определяется частотой сверхтонкого перехода цезия . [2 ]
Метр был первоначально определен в 1791 году Национальным собранием Франции как одна десятимиллионная часть расстояния от экватора до Северного полюса по большому кругу , поэтому полярная окружность Земли приблизительно равна40 000 км .
В 1799 году метр был переопределен в терминах прототипа метровой планки, используемая планка была изменена в 1889 году, а в 1960 году метр был переопределен в терминах определенного числа длин волн определенной линии излучения криптона-86 . Текущее определение было принято в 1983 году и немного изменено в 2002 году, чтобы прояснить, что метр является мерой собственной длины . С 1983 по 2019 год метр формально определялся как длина пути, пройденного светом в вакууме в 1/299 792 458 секунды . После пересмотра СИ в 2019 году это определение было перефразировано, чтобы включить определение секунды в терминах частоты цезия Δ ν Cs . Эта серия поправок не изменила существенно размер метра — сегодня полярная окружность Земли измеряет40 007 .863 км , изменение примерно на 200 частей на миллион от первоначального значения, равного40 000 км , что также включает в себя повышение точности измерения окружности.
Метр — стандартное написание метрической единицы длины почти во всех англоязычных странах, за исключением США [3] [4] [5] [6] и Филиппин [7] , где используется метр .
Измерительные приборы (такие как амперметр , спидометр ) пишутся как «-meter» во всех вариантах английского языка. [8] Суффикс «-meter» имеет то же греческое происхождение, что и единица длины. [9] [10]
Этимологические корни слова metreo можно проследить до греческого глагола μετρέω ( metreo ) ((I) измерять, подсчитывать или сравнивать) [11] и существительного μέτρον ( metron ) (мера), [12] которые использовались для физического измерения, для поэтического размера и в более широком смысле для умеренности или избегания экстремизма (как в «быть измеренным в вашем ответе»). Этот диапазон использования также встречается в латинском ( metior, mensura ), французском ( mètre, mesure ), английском и других языках. Греческое слово происходит от протоиндоевропейского корня *meh₁- 'измерять'. Девиз ΜΕΤΡΩ ΧΡΩ ( metro chro ) на печати Международного бюро мер и весов (BIPM), который был высказыванием греческого государственного деятеля и философа Питтака из Митилены и может быть переведен как «Используйте меру!», таким образом, призывает как к измерению, так и к умеренности [ необходима цитата ] . Использование слова meter (для французской единицы mètre ) в английском языке началось по крайней мере еще в 1797 году. [13]
Галилей открыл гравитационное ускорение , чтобы объяснить падение тел на поверхность Земли. [14] Он также наблюдал регулярность периода качания маятника и то, что этот период зависит от длины маятника. [15]
Законы движения планет Кеплера послужили как открытию закона всемирного тяготения Ньютона , так и определению расстояния от Земли до Солнца Джованни Доменико Кассини . [16] [17] Они оба также использовали определение размера Земли, которая тогда считалась сферой, Жаном Пикаром посредством триангуляции Парижского меридиана . [18] [19] В 1671 году Жан Пикар также измерил длину секундного маятника в Парижской обсерватории и предложил назвать эту единицу измерения астрономическим радиусом (фр. Rayon Astronomique ). [20] [21] В 1675 году Тито Ливио Бураттини предложил термин metro cattolico, означающий универсальную меру для этой единицы длины, но затем было обнаружено, что длина секундного маятника варьируется от места к месту. [22] [23] [24] [25]
Христиан Гюйгенс открыл центробежную силу , которая объяснила изменения гравитационного ускорения в зависимости от широты. [26] [27] Он также математически сформулировал связь между длиной простого маятника и гравитационным ускорением. [28] По словам Алексиса Клеро , изучение изменений гравитационного ускорения было способом определения фигуры Земли , важнейшим параметром которой была сплющенность земного эллипсоида . В XVIII веке, в дополнение к ее значению для картографии , геодезия приобрела значение как средство эмпирической демонстрации теории гравитации , которую Эмили дю Шатле продвигала во Франции в сочетании с математическими работами Лейбница , а также потому, что радиус Земли был единицей, к которой должны были относиться все небесные расстояния. Действительно, геодезические исследования в Эквадоре и Лапландии доказали, что Земля представляет собой сплющенный сфероид , и эти новые данные поставили под сомнение значение радиуса Земли , рассчитанное Пикаром. [28] [29] [30] [22] [19]
После Англо-французского исследования Французская академия наук заказала экспедицию под руководством Жана Батиста Жозефа Деламбра и Пьера Мешена , которая длилась с 1792 по 1798 год, и которая измерила расстояние между колокольней в Дюнкерке и замком Монжуик в Барселоне на долготе Парижского Пантеона . Когда длина метра была определена как одна десятимиллионная расстояния от Северного полюса до экватора , предполагалось, что сплющивание земного эллипсоида составляет 1/334 . [31] [32] [19] [33] [34] [35]
В 1841 году Фридрих Вильгельм Бессель, используя метод наименьших квадратов, вычислил по нескольким измерениям дуги новое значение сплющенности Земли, которое он определил как 1/299.15 . [36] [37] [38] Он также разработал новый прибор для измерения ускорения свободного падения, который впервые был использован в Швейцарии Эмилем Плантамуром , Чарльзом Сандерсом Пирсом и Исааком-Шарлем Элизе Селлерье (8.01.1818 – 2.10.1889), женевский математик вскоре независимо открыл математическую формулу для исправления систематических ошибок этого прибора, которые были замечены Плантамуром и Адольфом Хиршем . [39] [40] Это позволило Фридриху Роберту Гельмерту определить удивительно точное значение 1/298.3 для сплющивания Земли, когда он предложил свой эллипсоид для отсчета в 1901 году. [41] Это также было результатом Метрической конвенции 1875 года, когда метр был принят в качестве международной научной единицы длины для удобства геодезистов континентальной Европы, следуя примеру Фердинанда Рудольфа Хасслера . [42] [43] [44] [45] [46] [47]
В 1790 году, за год до того, как было окончательно решено, что метр будет основан на квадранте Земли (четверть окружности Земли через ее полюса), Талейран предложил, чтобы метр был длиной секундного маятника на широте 45°. Этот вариант, при котором треть этой длины определяла фут , также рассматривался Томасом Джефферсоном и другими для переопределения ярда в Соединенных Штатах вскоре после обретения независимости от британской короны . [48] [49]
Вместо метода секундного маятника комиссия Французской академии наук, в состав которой входили Борда , Лагранж , Лаплас , Монж и Кондорсе , решила, что новая мера должна быть равна одной десятимиллионной расстояния от Северного полюса до экватора , определенного путем измерений вдоль меридиана, проходящего через Париж. Помимо очевидных соображений безопасного доступа для французских геодезистов, парижский меридиан также был обоснованным выбором по научным причинам: часть квадранта от Дюнкерка до Барселоны (около 1000 км, или одна десятая от общего числа) могла быть обследована с начальной и конечной точками на уровне моря, и эта часть находилась примерно в середине квадранта, где, как ожидалось, не нужно было учитывать эффекты сжатия Земли. Усовершенствования измерительных приборов, разработанных Борда и использованных для этого обследования, также вселяли надежды на более точное определение длины этой дуги меридиана. [50] [51] [52] [53] [35]
Задача съемки парижской меридианной дуги заняла более шести лет (1792–1798). Технические трудности были не единственными проблемами, с которыми пришлось столкнуться геодезистам в судорожный период после Французской революции: Мешен и Деламбр, а позже Араго , несколько раз попадали в тюрьму во время своих съемок, а Мешен умер в 1804 году от желтой лихорадки, которой он заразился, пытаясь улучшить свои первоначальные результаты на севере Испании. Тем временем комиссия Французской академии наук рассчитала предварительное значение на основе более старых съемок в 443,44 линии. Это значение было установлено законодательством 7 апреля 1795 года. [50] [51] [53] [54] [55]
В 1799 году комиссия, в которую входили Йохан Георг Траллес , Жан Анри ван Свинден , Адриен-Мари Лежандр и Жан-Батист Деламбр, вычислила расстояние от Дюнкерка до Барселоны, используя данные триангуляции между этими двумя городами, и определила часть расстояния от Северного полюса до экватора, которую оно представляло. Измерения Пьера Мешена и Жана-Батиста Деламбра были объединены с результатами испано-французской геодезической миссии и значением 1/334 было найдено для сплющивания Земли. Однако французские астрономы знали из более ранних оценок сплющивания Земли, что разные меридианы могут иметь разную длину и что их кривизна может быть нерегулярной. Расстояние от Северного полюса до экватора затем было экстраполировано из измерения парижской меридианы между Дюнкерком и Барселоной и было определено как5 130 740 туазов. Поскольку метр должен был быть равен одной десятимиллионной этого расстояния, он был определен как 0,513074 туаза или 3 фута и 11,296 линий туаза Перу, который был построен в 1735 году для Французской геодезической миссии на экваторе . Когда окончательный результат был известен, был выбран брусок, длина которого была ближе всего к меридиональному определению метра, и помещен в Национальный архив 22 июня 1799 года (4 мессидора VII в республиканском календаре) в качестве постоянной записи результата. [56] [19] [50] [53] [57] [58] [59]
В 1816 году Фердинанд Рудольф Хасслер был назначен первым суперинтендантом Обзора побережья . Обучавшийся геодезии в Швейцарии, Франции и Германии , Хасслер привез в Соединенные Штаты стандартный метр, изготовленный в Париже, в октябре 1805 года. Он спроектировал базовый аппарат, который вместо приведения различных стержней в фактический контакт во время измерений, использовал только один стержень, откалиброванный на метре и оптический контакт. Таким образом, метр стал единицей длины для геодезии в Соединенных Штатах. [60] [61] [46] [62]
В 1830 году Хасслер стал главой Управления мер и весов, которое стало частью Береговой службы. Он сравнил различные единицы длины, использовавшиеся в Соединенных Штатах в то время, и измерил коэффициенты расширения, чтобы оценить влияние температуры на измерения. [63]
В 1832 году Карл Фридрих Гаусс изучал магнитное поле Земли и предложил добавить секунду к основным единицам метра и килограмма в виде системы СГС ( сантиметр , грамм , секунда). В 1836 году он основал Magnetischer Verein, первую международную научную ассоциацию, в сотрудничестве с Александром фон Гумбольдтом и Вильгельмом Эдуардом Вебером . Координация наблюдения за геофизическими явлениями, такими как магнитное поле Земли, молнии и гравитация в разных точках земного шара, стимулировала создание первых международных научных ассоциаций. За основанием Magnetischer Verein последовало создание Центрально-Европейского общества по измерению дуги (нем. Mitteleuropaïsche Gradmessung ) по инициативе Иоганна Якоба Байера в 1863 году, а также Международной метеорологической организации , президент которой, швейцарский метеоролог и физик Генрих фон Вильд , представлял Россию в Международном комитете мер и весов (CIPM). [58] [41] [64] [65] [66] [67]
В 1834 году Хасслер измерил на острове Файер первую базовую линию Обзора побережья, незадолго до того, как Луи Пюиссан заявил Французской академии наук в 1836 году, что Жан Батист Жозеф Деламбр и Пьер Мешен допустили ошибки в измерении дуги меридиана , которое использовалось для определения длины метра. Ошибки в методе расчета длины парижского меридиана были учтены Бесселем, когда он предложил свой референц-эллипсоид в 1841 году. [68] [69] [70] [37] [38]
Египетская астрономия имеет древние корни, которые были возрождены в 19 веке модернистским импульсом Мухаммеда Али , который основал в Сабтие, районе Булак , в Каире , обсерваторию, которую он стремился поддерживать в гармонии с прогрессом этой науки, все еще находящейся в процессе развития. В 1858 году была создана Техническая комиссия, чтобы продолжить, приняв процедуры, установленные в Европе, кадастровую работу, начатую при Мухаммеде Али. Эта комиссия предложила вице-королю Мухаммеду Саиду-паше идею покупки геодезических приборов, которые были заказаны во Франции. В то время как Махмуд Ахмад Хамди аль-Фалаки отвечал в Египте за направление работы над общей картой, вице-король поручил Исмаилу Мустафе аль-Фалаки изучение в Европе точного аппарата, откалиброванного по метру, предназначенного для измерения геодезических баз и уже построенного Жаном Бруннером в Париже. Исмаил Мустафа имел задачу провести эксперименты, необходимые для определения коэффициентов расширения двух платиновых и латунных стержней, и сравнить египетский стандарт с известным стандартом. Испанский стандарт, разработанный Карлосом Ибаньесом и Ибаньесом де Иберо и Фрутосом Сааведрой Менесесом, был выбран для этой цели, поскольку он послужил моделью для создания египетского стандарта. Кроме того, испанский стандарт был сравнен с двойным туазом № 1 Борда , который служил в качестве модуля сравнения для измерения всех геодезических баз во Франции, и также должен был сравниваться с аппаратом Ибаньеса. В 1954 году соединение южного продолжения Геодезической дуги Струве с дугой, идущей на север от Южной Африки через Египет, вернуло бы ход большой меридианной дуги обратно к земле, где Эратосфен основал геодезию . [71] [72] [73] [74] [75]
Семнадцать лет спустя после того, как Бессель рассчитал свой эллипсоид отсчета , некоторые из дуг меридиана, которые немецкий астроном использовал для своих расчетов, были увеличены. Это было очень важным обстоятельством, поскольку влияние ошибок, вызванных вертикальными отклонениями, было минимизировано пропорционально длине дуг меридиана: чем длиннее дуги меридиана, тем точнее будет изображение земного эллипсоида . [36] После измерения Геодезической дуги Струве в 1860-х годах по инициативе Карлоса Ибаньеса и Ибаньеса де Иберо, который стал первым президентом как Международной геодезической ассоциации , так и Международного комитета мер и весов , было решено перемерить дугу меридиана от Дюнкерка до Форментеры и продлить ее от Шетландских островов до Сахары . [76] [77] [78] [75] Это не проложило путь к новому определению метра, поскольку было известно, что теоретическое определение метра было недоступным и вводящим в заблуждение во времена измерения дуги Деламбре и Мешена, поскольку геоид — это шар, который в целом можно уподобить сплющенному сфероиду , но который в деталях отличается от него, так что запрещает любое обобщение и любую экстраполяцию из измерения одной дуги меридиана. [34] В 1859 году Фридрих фон Шуберт продемонстрировал, что несколько меридианов имеют разную длину, подтвердив гипотезу Жана Лерона Д'Аламбера . Он также предложил эллипсоид с тремя неравными осями. [79] [80] В 1860 году Эли Риттер, математик из Женевы , используя данные Шуберта, вычислил, что земной эллипсоид скорее может быть сфероидом вращения в соответствии с моделью Адриена-Мари Лежандра . [81] Однако в следующем году, возобновив свои вычисления на основе всех данных, доступных в то время, Риттер пришел к выводу, что проблема была решена лишь приблизительно, поскольку данные оказались слишком скудными и на некоторые из них повлияли вертикальные отклонения , в частности, широта Монжуика в дуге французского меридиана, на определение которой также в меньшей степени повлияли систематические ошибки повторяющегося круга . [82] [83] [34]
Определение длины метра в 1790-х годах было основано на измерениях дуги во Франции и Перу с определением, что она должна была быть 1/40 миллионной окружности Земли, измеренной через полюса. Таковы были неточности того периода, что в течение всего нескольких лет более надежные измерения дали бы другое значение для определения этого международного стандарта. Это никоим образом не обесценивает метр, но подчеркивает тот факт, что постоянное совершенствование приборов сделало возможными более точные измерения размеров Земли.
— Номинация ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ДУГИ СТРУВЕ на включение в СПИСОК ВСЕМИРНОГО НАСЛЕДИЯ, стр. 40
Было хорошо известно, что, измеряя широту двух станций в Барселоне , Мешен обнаружил, что разница между этими широтами была больше, чем предсказывалось прямым измерением расстояния методом триангуляции, и что он не осмелился признать эту неточность. [84] [85] [54] Позже это было объяснено зазором в центральной оси повторяющегося круга, вызывающим износ, и, следовательно, измерения зенита содержали значительные систематические ошибки. [83] Полярное движение, предсказанное Леонардом Эйлером и позже открытое Сетом Карло Чандлером , также оказало влияние на точность определения широт. [86] [28] [87] [88] Среди всех этих источников ошибок, главным образом, было неблагоприятное вертикальное отклонение , которое дало неточное определение широты Барселоны , и метр, «слишком короткий» по сравнению с более общим определением, взятым из среднего значения большого количества дуг. [34]
Еще в 1861 году Иоганн Якоб Байер направил королю Пруссии меморандум , в котором рекомендовалось международное сотрудничество в Центральной Европе с целью определения формы и размеров Земли. На момент создания ассоциация насчитывала шестнадцать стран-членов: Австрийская империя , Королевство Бельгия , Дания , семь немецких государств ( Великое герцогство Баден , Королевство Бавария , Королевство Ганновер , Мекленбург , Королевство Пруссия , Королевство Саксония , Саксен-Кобург и Гота ), Королевство Италия , Нидерланды , Российская империя (для Польши ), Соединенное Королевство Швеции и Норвегии , а также Швейцария . Центральноевропейское измерение дуги создало Центральное бюро, расположенное в Прусском геодезическом институте, управление которым было поручено Иоганну Якобу Байеру. [89] [88]
Целью Байера было новое определение аномалий в форме Земли с использованием точных триангуляций в сочетании с измерениями силы тяжести. Это включало определение геоида с помощью гравиметрических и нивелирных измерений, чтобы вывести точное знание земного сфероида с учетом локальных изменений. Для решения этой проблемы необходимо было тщательно изучить значительные площади земли во всех направлениях. Байер разработал план координации геодезических съемок в пространстве между параллелями Палермо и Фритауна Кристиана ( Дания ) и меридианами Бонна и Трунца (немецкое название Милеева в Польше ). Эта территория была покрыта треугольной сетью и включала более тридцати обсерваторий или станций, положение которых определялось астрономически. Байер предложил перемерить десять дуг меридианов и большее количество дуг параллелей, чтобы сравнить кривизну дуг меридиана на двух склонах Альп , чтобы определить влияние этого горного хребта на вертикальное отклонение . Байер также планировал определить кривизну морей, Средиземного и Адриатического морей на юге, Северного и Балтийского морей на севере. По его мнению, сотрудничество всех государств Центральной Европы могло бы открыть поле для научных исследований, представляющих наивысший интерес, исследований, которые каждое государство, взятое в отдельности, не могло бы провести. [90] [91]
Испания и Португалия присоединились к Европейской ассоциации измерения дуги в 1866 году. Французская империя долго колебалась, прежде чем уступить требованиям Ассоциации, которая попросила французских геодезистов принять участие в ее работе. Только после Франко-прусской войны Шарль -Эжен Делоне представлял Францию на Венском конгрессе в 1871 году. В 1874 году Эрве Фай был назначен членом Постоянной комиссии, которую возглавлял Карлос Ибаньес и Ибаньес де Иберо. [69] [92] [78] [47]
Международная геодезическая ассоциация приобрела мировое значение с присоединением Чили , Мексики и Японии в 1888 году; Аргентины и Соединенных Штатов в 1889 году; и Британской империи в 1898 году. Соглашение Международной геодезической ассоциации истекло в конце 1916 года. Оно не было возобновлено из-за Первой мировой войны . Однако деятельность Международной службы широты была продолжена через Ассоциацию геодезических координат между нейтральными государствами благодаря усилиям Х. Г. ван де Санде Бакхёйзена и Рауля Готье (1854–1931), соответственно директоров Лейденской и Женевской обсерваторий . [75] [88]
После Французской революции наполеоновские войны привели к принятию метра в Латинской Америке после обретения независимости Бразилией и Испанской Америкой , в то время как Американская революция побудила к основанию Береговой службы в 1807 году и созданию Управления стандартных весов и мер в 1830 году. В континентальной Европе наполеоновские войны способствовали немецкому национализму, который позже привел к объединению Германии в 1871 году. Тем временем большинство европейских стран приняли метр. В 1870-х годах Германская империя сыграла ключевую роль в унификации метрической системы через Европейское измерение дуги, но ее подавляющее влияние было смягчено влиянием нейтральных государств. В то время как немецкий астроном Вильгельм Юлиус Фёрстер , директор Берлинской обсерватории и директор Немецкой службы мер и весов, бойкотировал Постоянный комитет Международной метрической комиссии вместе с российскими и австрийскими представителями, чтобы способствовать созданию постоянного Международного бюро мер и весов , немецкий астроном, швейцарец Адольф Хирш, прислушавшись к мнению Италии и Испании, создал, несмотря на нежелание Франции, Международное бюро мер и весов во Франции в качестве постоянного учреждения в ущерб Национальной консерватории искусств и ремесел . [91] [66] [93]
В то время единицы измерения определялись первичными стандартами , а уникальные артефакты, изготовленные из различных сплавов с различными коэффициентами расширения, были правовой основой единиц длины. Кованая железная линейка, Туаз Перу, также называемая Туазом Академии , была французским первичным стандартом туаза, а метр был официально определен артефактом, изготовленным из платины, хранящимся в Национальном архиве. Помимо последнего, еще один платиновый и двенадцать железных стандартов метра были изготовлены Этьеном Ленуаром в 1799 году. Один из них стал известен как Комитетный метр в Соединенных Штатах и служил эталоном длины в Береговой службе Соединенных Штатов до 1890 года. По словам геодезистов, эти стандарты были вторичными стандартами, выведенными из Туаза Перу. В Европе, за исключением Испании, геодезисты продолжали использовать измерительные приборы, откалиброванные по Туазу Перу. Среди них туаз Бесселя и аппарат Борда были соответственно основными эталонами для геодезии в Пруссии и во Франции . Эти измерительные приборы состояли из биметаллических линеек из платины и латуни или железа и цинка, закрепленных вместе на одном конце, чтобы оценить изменения длины, вызванные любым изменением температуры. Сочетание двух стержней, изготовленных из двух разных металлов, позволяло учитывать тепловое расширение без измерения температуры. Французский производитель научных приборов Жан Николя Фортен сделал три прямые копии Туаза Перу, одну для Фридриха Георга Вильгельма фон Струве , вторую для Генриха Христиана Шумахера в 1821 году и третью для Фридриха Бесселя в 1823 году. В 1831 году Анри-Пруденс Гамбей также сделал копию Туаза Перу, которая хранилась в обсерватории Альтона . [94] [95] [67] [56] [96] [97] [37] [46] [42]
Во второй половине XIX века создание Международной геодезической ассоциации ознаменовало принятие новых научных методов. [98] Затем стало возможным точно измерять параллельные дуги, поскольку разность долгот между их концами могла быть определена благодаря изобретению электрического телеграфа . Кроме того, достижения в метрологии в сочетании с достижениями гравиметрии привели к новой эре геодезии . Если бы точная метрология нуждалась в помощи геодезии, последняя не могла бы продолжать процветать без помощи метрологии. Тогда было необходимо определить единую единицу для выражения всех измерений земных дуг и всех определений гравитационного ускорения с помощью маятника. [99] [56]
В 1866 году самой важной проблемой было то, что Туаз Перу, эталон туаза, созданный в 1735 году для Французской геодезической миссии на экваторе , мог быть настолько поврежден, что сравнение с ним было бы бесполезным, в то время как Бессель усомнился в точности копий этого эталона, принадлежавших обсерваториям Альтона и Кенигсберга , которые он сравнил друг с другом около 1840 года. Это утверждение было особенно тревожным, потому что, когда основной эталон императорского ярда был частично уничтожен в 1834 году, был создан новый эталон с использованием копий «Эталонного ярда 1760 года» вместо длины маятника, как это было предусмотрено в Законе о мерах и весах 1824 года, поскольку метод маятника оказался ненадежным. Тем не менее, использование метра Фердинандом Рудольфом Хасслером и создание Управления стандартных мер и весов в качестве офиса в составе Береговой службы способствовали введению Метрического акта 1866 года , разрешающего использование метра в Соединенных Штатах, и предшествовали выбору метра в качестве международной научной единицы длины и предложению Европейской ассоциации дуговых измерений (нем. Europäische Gradmessung ) о создании «Европейского международного бюро мер и весов». [94] [100] [47] [91] [56] [101] [102] [103] [104]
В 1867 году на второй Генеральной конференции Международной ассоциации геодезии, состоявшейся в Берлине, обсуждался вопрос о международной стандартной единице длины с целью объединения измерений, выполненных в разных странах, для определения размера и формы Земли. [105] [106] [107] Согласно предварительному предложению, сделанному в Невшателе годом ранее, Генеральная конференция рекомендовала принять метр вместо туаза Бесселя, создать Международную метрическую комиссию и основать Всемирный институт для сравнения геодезических стандартов, что стало первым шагом на пути к созданию Международного бюро мер и весов . [108] [105] [107] [109] [110]
Метрологические и геодезические работы Хасслера также имели благоприятный отклик в России. [63] [61] В 1869 году Санкт-Петербургская академия наук направила во Французскую академию наук доклад, составленный Отто Вильгельмом фон Струве , Генрихом фон Вильдом и Морицем фон Якоби , чья теорема долгое время подтверждала предположение об эллипсоиде с тремя неравными осями для фигуры Земли, приглашая своего французского коллегу предпринять совместные действия для обеспечения всеобщего использования метрической системы во всех научных работах. [103] [22]
В 1870-х годах и в свете современной точности был проведен ряд международных конференций для разработки новых метрических стандартов. Когда разразился конфликт относительно наличия примесей в метрическом сплаве 1874 года, член Подготовительного комитета с 1870 года и представитель Испании на Парижской конференции 1875 года Карлос Ибаньес и Ибаньес де Иберо вмешались во Французскую академию наук, чтобы объединить Францию вокруг проекта по созданию Международного бюро мер и весов, оснащенного научными средствами, необходимыми для переопределения единиц метрической системы в соответствии с прогрессом наук. [111] [43] [67] [112]
Метрическая конвенция ( Convention du Mètre ) 1875 года предписала создание постоянного Международного бюро мер и весов (BIPM: Bureau International des Poids et Mesures ) с местонахождением в Севре , Франция. Эта новая организация должна была построить и сохранить прототип метровой линейки, распространять национальные метрические прототипы и поддерживать сравнения между ними и неметрическими эталонами измерений. Организация распространяла такие линейки в 1889 году на первой Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM: Conférence Générale des Poids et Mesures ), установив Международный прототип метра как расстояние между двумя линиями на стандартной линейке, состоящей из сплава 90% платины и 10% иридия , измеренное при температуре плавления льда. [111]
Сравнение новых прототипов метра друг с другом включало разработку специального измерительного оборудования и определение воспроизводимой температурной шкалы. Работа BIPM по термометрии привела к открытию специальных сплавов железа и никеля, в частности инвара , чей практически незначительный коэффициент расширения позволил разработать более простые методы измерения базовых линий, и за что его директор, швейцарский физик Шарль-Эдуард Гийом , был удостоен Нобелевской премии по физике в 1920 году. Нобелевская премия Гийома ознаменовала конец эпохи, в которой метрология покидала область геодезии , чтобы стать технологическим приложением физики . [113] [114] [115]
В 1921 году Нобелевская премия по физике была присуждена другому швейцарскому ученому, Альберту Эйнштейну , который после эксперимента Майкельсона-Морли в 1905 году поставил под сомнение светоносный эфир , точно так же, как Ньютон в 1687 году поставил под сомнение теорию вихрей Декарта после эксперимента с маятником Жана Рише в Кайенне , Французская Гвиана . [116] [117] [18] [22]
Более того, специальная теория относительности изменила представления о времени и массе , в то время как общая теория относительности изменила представления о пространстве . Согласно Ньютону, пространство было евклидовым , бесконечным и без границ, а тела притягивались друг к другу, не изменяя структуру пространства. Теория гравитации Эйнштейна , напротив, утверждает, что масса тела оказывает влияние на все другие тела, изменяя структуру пространства. Массивное тело вызывает искривление пространства вокруг себя, в котором траектория света изгибается, как было продемонстрировано смещением положения звезды, наблюдаемым вблизи Солнца во время затмения в 1919 году. [118]
В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл предложил использовать свет, испускаемый элементом, в качестве стандарта как для единицы длины, так и для секунды. Эти две величины затем можно было бы использовать для определения единицы массы. [119] О единице длины он писал:
В современном состоянии науки наиболее универсальным стандартом длины, который мы могли бы принять, была бы длина волны в вакууме определенного вида света, испускаемого каким-либо широко распространенным веществом, таким как натрий, который имеет четко определенные линии в своем спектре. Такой стандарт не зависел бы от каких-либо изменений в размерах Земли и должен быть принят теми, кто ожидает, что их писания будут более постоянными, чем это тело.
— Джеймс Клерк Максвелл, «Трактат об электричестве и магнетизме» , 3-е издание, т. 1, стр. 3
Работа Чарльза Сандерса Пирса способствовала выходу американской науки на передовые позиции в мировой метрологии. Наряду с его взаимными сравнениями артефактов метра и вкладом в гравиметрию посредством усовершенствования обратимого маятника, Пирс был первым, кто экспериментально связал метр с длиной волны спектральной линии. По его мнению, стандартную длину можно сравнить с длиной волны света, идентифицированной линией в солнечном спектре . Альберт Майкельсон вскоре подхватил эту идею и усовершенствовал ее. [104] [120]
В 1893 году эталон метра был впервые измерен с помощью интерферометра Альбертом А. Майкельсоном , изобретателем прибора и сторонником использования определенной длины волны света в качестве эталона длины. К 1925 году интерферометрия уже регулярно использовалась в BIPM. Однако Международный прототип метра оставался стандартом до 1960 года, когда одиннадцатая ГКМВ определила метр в новой Международной системе единиц (СИ) как равный1 650 763 .73 длины волны оранжево - красной линии излучения в электромагнитном спектре атома криптона-86 в вакууме . [121 ]
Для дальнейшего снижения неопределенности 17-я ГКМВ в 1983 году заменила определение метра его нынешним определением, зафиксировав таким образом длину метра в секундах и скорости света : [122] [123]
Это определение зафиксировало скорость света в вакууме в точности на299 792 458 метров в секунду [122] (≈300 000 км/с или ≈1,079 млрд км/час [124] ). Предполагаемым побочным продуктом определения 17-й ГКМВ было то, что оно позволило ученым точно сравнивать лазеры, используя частоту, что привело к длинам волн с одной пятой неопределенности, связанной с прямым сравнением длин волн, поскольку ошибки интерферометра были устранены. Для дальнейшего облегчения воспроизводимости от лаборатории к лаборатории 17-я ГКМВ также сделала стабилизированный йодом гелий-неоновый лазер «рекомендуемым излучением» для реализации метра. [125] Для целей определения метра BIPM в настоящее время считает, что длина волны гелий-неонового лазера, λ HeNe , равна632,991 212 58 нм с оценочной относительной стандартной неопределенностью ( U )2,1 × 10 -11 . [125] [126] [127]
Эта неопределенность в настоящее время является одним из ограничивающих факторов в лабораторных реализациях метра, и она на несколько порядков хуже, чем у секунды, основанной на атомных часах с цезиевым фонтаном ( U =5 × 10−16 ). [128] Следовательно, реализация метра сегодня обычно описывается (не определяется) в лабораториях как1 579 800 .762 042 (33) длины волны света гелий-неонового лазера в вакууме, при этом указанная погрешность относится только к определению частоты. [125] Эта скобочная нотация, выражающая погрешность, поясняется в статье о неопределенности измерений .
Практическая реализация метра зависит от неопределенностей в характеристике среды, различных неопределенностей интерферометрии и неопределенностей в измерении частоты источника. [129] Обычно используемой средой является воздух, и Национальный институт стандартов и технологий (NIST) создал онлайн-калькулятор для преобразования длин волн в вакууме в длины волн в воздухе. [130] Как описывает NIST, в воздухе неопределенности в характеристике среды в основном определяются ошибками в измерении температуры и давления. Ошибки в используемых теоретических формулах вторичны. [131]
Реализуя такую коррекцию показателя преломления, можно осуществить приблизительную реализацию метра в воздухе, например, используя формулу метра как1 579 800 .762 042 (33) длины волны света гелий-неонового лазера в вакууме и преобразование длин волн в вакууме в длины волн в воздухе. Воздух является единственной возможной средой для использования в реализации метра, и может быть использован любой частичный вакуум или некоторая инертная атмосфера, например, гелиевый газ, при условии, что будут реализованы соответствующие поправки на показатель преломления. [132]
Метр определяется как длина пути, пройденного светом за определенное время, и практические лабораторные измерения длины в метрах определяются путем подсчета количества длин волн лазерного света одного из стандартных типов, которые укладываются в длину, [135] и преобразования выбранной единицы длины волны в метры. Три основных фактора ограничивают точность, достижимую с помощью лазерных интерферометров для измерения длины: [129] [136]
Из них последний свойственен самому интерферометру. Преобразование длины в длинах волн в длину в метрах основано на соотношении
который преобразует единицу длины волны λ в метры, используя c , скорость света в вакууме в м/с. Здесь n — показатель преломления среды, в которой производится измерение, а f — измеренная частота источника. Хотя преобразование из длин волн в метры вносит дополнительную погрешность в общую длину из-за погрешности измерения при определении показателя преломления и частоты, измерение частоты является одним из самых точных доступных измерений. [136]
В 2002 году CIPM опубликовал разъяснение:
Его определение, следовательно, применимо только в пределах достаточно малого пространственного размера, в котором можно игнорировать эффекты неоднородности гравитационного поля (обратите внимание, что на поверхности Земли этот эффект в вертикальном направлении составляет около 1 части в10 16 на метр). В этом случае следует учитывать только эффекты специальной теории относительности.
Во Франции метр был принят в качестве исключительной меры в 1801 году при Консульстве . Это продолжалось в Первой Французской империи до 1812 года, когда Наполеон издал указ о введении недесятичных mesures usuelles , которые использовались во Франции до 1840 года в правление Луи-Филиппа . [50] Тем временем метр был принят Женевской республикой. [148] После присоединения кантона Женева к Швейцарии в 1815 году Гийом Анри Дюфур опубликовал первую официальную швейцарскую карту, на которой метр был принят в качестве единицы длины. [149] [150]
Префиксы СИ могут использоваться для обозначения десятичных кратных и дольных единиц метра, как показано в таблице ниже. Большие расстояния обычно выражаются в км, астрономических единицах (149,6 Гм), световых годах (10 Пм) или парсеках (31 Пм), а не в Мм или более крупных кратных; «30 см», «30 м» и «300 м» встречаются чаще, чем «3 дм», «3 дам» и «3 hm» соответственно.
Термины микрон и миллимикрон использовались вместо микрометра (мкм) и нанометра (нм) соответственно, но такая практика не приветствуется. [152]
В этой таблице «дюйм» и «ярд» означают «международный дюйм» и «международный ярд» [153] соответственно, хотя приблизительные преобразования в левом столбце справедливы как для международных, так и для геодезических единиц.
Один метр в точности эквивалентен 5 000/127 дюймов и до 1 250/1 143 ярдов.
Простая мнемоника , помогающая с преобразованием, — «три тройки»: 1 метр почти эквивалентен 3 футам 3.+3 ⁄ 8 дюйма. Это дает завышение на 0,125 мм.
Древнеегипетский локоть был около 0,5 м (сохранившиеся прутки имеют длину 523–529 мм). [154] Шотландское и английское определения элля ( 2 локтя) были 941 мм (0,941 м) и 1143 мм (1,143 м) соответственно. [155] [156] Древний парижский туаз (сажень) был немного короче 2 м и был стандартизирован как ровно 2 м в системе обычных мер , так что 1 м был ровно 1 ⁄ 2 туаза. [157] Русская верста была 1,0668 км. [158] Шведский мил был 10,688 км, но был изменен на 10 км, когда Швеция перешла на метрические единицы. [159]
Правописание английских слов соответствует Руководству по стилю типографии правительства США, которое следует Третьему новому международному словарю Вебстера, а не Оксфордскому словарю. Таким образом, используются написания 'meter', 'liter', 'deka' и 'cesium' вместо 'metre', 'liter', 'deca' и 'caesium', как в оригинальном английском тексте BIPM.
{{cite web}}
: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )Погрешность [вносимую использованием воздуха] можно уменьшить в десять раз, если камеру заполнить атмосферой гелия, а не воздуха.
{{cite book}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )Данные Джакомо П. Du platine à la lumière [От платины к свету], Bull. Бур. Нат. Метрология , 102 (1995) 5–14.