Экспансия метра

Из архивов «Континента»

Система мер и весов, изобретенная в конце 18 века во Франции, в рекордно короткие сроки обрела популярность во всем мире. Она уничтожила сотни и тысячи систем измерений, которые человеческая цивилизация создала на протяжении тысячелетий.

Метрической системой принято называть систему мер, покоящуюся на двух китах – метре, как единице длины, и килограмме, как единице массы. Она основана на десятичной системе счисления и потому определяет более крупные и более мелкие меры в терминах основных единиц, умноженных либо поделенных на числа, являющиеся целыми степенями десяти. Например, километр – это тысяча метров, а грамм – одна тысячная килограмма. В историческом плане метрическая система стала фундаментом введенной в 1960 году Международной системы единиц SI (в русской транскрипции СИ), применяемой для научных, технических, геодезических и прочих измерений почти во всех странах мира.

Впервые в истории десятичную шкалу измерений длины предложил в 1670 году французский математик и астроном Габриэль Мутон. Эта идея нашла поддержку у нескольких крупнейших ученых того времени, однако ее воплощения на практике пришлось ждать более ста лет. С наступлением Великой Французской революции стали раздаваться призывы ввести единую общенациональную систему мер и весов, заменяющую многочисленные местные единицы, унаследованные от средневековья (историки подсчитали, что с 11 по 18 столетие их общее число достигло четверти миллиона!). 9 марта 1790 года с этим предложением выступил в Национальном Собрании депутат Шарль Морис Талейран, в будущем знаменитый дипломат, а тогда епископ Отенский. Через два месяца законодатели одобрили этот проект и предложили Академии Наук образовать для его практического воплощения особый комитет, Комиссию мер и весов. Вскоре отдельным решением члены Национального Собрания Франции постановили, что новая система будет основана на десятичной шкале.

19 марта 1791 года Комиссия в составе звезд французской науки Жозефа Луи Лагранжа, Пьера Симона Лапласа, Жана Шарля де Борда, Гаспара Монжа и Жана Антуана Никола Кондорсе решила выбрать в качестве основной единицы длины одну десятимиллионную долю квадранта парижского меридиана. Для ее точного определения ученые рекомендовали измерить протяженность меридиональной дуги, простирающейся от Дюнкерка до Барселоны, также лежащих на долготе Парижа. Этот выбор объяснялся тем, что концевые участки маршрута можно было привязать к уровню мирового океана. 26 марта это предложение было утверждено законодателями.

Наименование для новой единицы длины было придумано гораздо раньше. Выражение “универсальный метр” (metro catholico) можно найти в изданной в 1675 году книге жившего в Польше итальянца Тито Ливио Бураттини Misura Universale. Он определил его как длину маятника, совершающего 3600 колебаний в час. Просто “метр” (metre) впервые появился в изданной в мае 1790 года брошюре парижского преподавателя математики Огюста Леблона. Вскоре этот термин был одобрен Комиссией мер и весов, а в апреле 1795 года утвержден и Конвентом. И Бураттини, и Леблон произвели свои неологизмы от греческого слова “метрон” – мера.

Комиссия мер и весов, в соответствии со своим мандатом, занялась и определением весовых единиц. В 1793 году знаменитый химик Антуан Лавуазье и кристаллограф Рене Жюст Айи предложили взять за основу грамм, вес одного кубического сантиметра (иначе говоря, куба со стороной в одну сотую долю метра) дождевой воды, взвешенной в пустоте при температуре тающего льда. Шестью годами позже физик Луи Лефевр-Гиньо несколько изменил это определение, предложив взвешивать воду при температуре ее максимальной плотности, примерно 4 градуса Цельсия. Это идея восторжествовала, так что “новый” грамм оказался несколько тяжелее “старого”. Однако вес кубического сантиметра воды слишком мал, поэтому было решено, что для практических измерений удобнее принять в качестве основной единицы вес одного литра воды, то есть тысячу граммов. С 1795 года ее называют килограммом.

Геодезические промеры меридионального фрагмента начались летом 1792 года. С северного конца их проводил астроном Жан Батист Жозеф Деламбр, с южного – астроном и геодезист Пьер Франсуа Андре Мешен. Из-за политических и военных коллизий эти работы сильно затянулись и были завершены лишь к сентябрю 1798 года. Поэтому в 1793 году во Франции ввели временный метр, длина которого была вычислена на основе более ранних геодезических измерений, выполненных еще в 1740-е годы. Тогда же Этьен Ленуар, бывший королевский ювелир, переключившийся на изготовление астрономических инструментов, сотворил из меди первый эталон метра, который выглядел как обычная плоская линейка. Он также изготовил эталонную гирю килограммового веса.

Для обработки данных Деламбра и Мешена Академия по предложению Лапласа пригласила в Париж видных ученых из Италии, Испании, Нидерландов, Дании и Швейцарии. Четверо участников этой встречи, которая стала первой в истории международной научной конференцией, независимо друг от друга провели все необходимые вычисления и весной 1799 года пришли к единому заключению относительно протяженности метра. Однако промеры Мешена содержали небольшую ошибку; кроме того, форма земного шара была известна еще недостаточно точно. В итоге метр оказался примерно на одну пятую миллиметра короче своей истинной величины. Согласно современным спутниковым данным, протяженность квадранта парижского меридиана составляет не 10000000, а 10002290 метров. Любопытно, что временный метр 1793 года несколько ближе к правильному значению, так что в этом смысле многолетние измерения Деламбра и Мешена фактически оказались излишними.

Комиссия мер и весов заранее решила, что эталонные образцы постоянного метра и килограмма будут сделаны уже не из меди, а из более стойкой платины. Пятая часть ее бюджета ушла на закупку в Испании сотни фунтов этого металла и его очистку от примесей. Изготовление эталонов опять поручили Ленуару. Заготовками для эталона метра послужили четыре тонких платиновых бруска (25.3 мм шириной и 4 мм толщиной) с параллельными боковыми гранями, которые он отшлифовал до нужной длины. Один из брусков после обработки точнее всего соответствовал новому стандарту длины (ошибка не превышала одной тысячной процента) и поэтому именно он и был признан за эталон. Ленуар также изготовил из платины и эталон килограмма. 22 июня 1799 года оба эталона торжественно представили членам обеих палат французского Законодательного Корпуса, Совета Пятисот и Совета Старейшин, а затем отправили на хранение в Архив Республики. По этой причине они вошли в историю как Архивный Метр и Архивный Килограмм. Кроме того, было сделано несколько железных копий эталонов, которые использовались в качестве образцов при промышленном производстве гирь, линеек и мерных лент. Юридически введение метрической системы было утверждено особым декретом, принятым 10 декабря 1799 года. Правда, на практике этот процесс сильно затянулся, так что она стала обязательной в самой Франции и в ее колониях только с 1 января 1840 года, уже в правление императора Луи-Филиппа.

Архивный Метр более восьмидесяти лет был единственным в мире эталоном метра. Однако в начале 1870-х годов в Париже состоялись две международные конференции метрологов, участники которых высказались за введение нового эталона, изготовленного из сплава 90% платины и 10% иридия. Они также рекомендовали для большей точности считать метром не дистанцию между гранями бруска-эталона, а расстояние между нанесенными на него штрихами. В 1875 году собравшиеся во французской столице представители семнадцати государств (среди них были как США, так и Российская Империя) решили сотрудничать в совершенствовании и распространении метрической системы и с этой целью подписали подписали Метрическую Конвенцию (Convention of the Meter). На ее основе были учреждены межгосударственные метрологические организации (Генеральная Конференция по Мерам и Весам, Международный Комитет Мер и Весов и Международное Бюро Мер и Весов), ответственные за создание единых для всего мира систем измерений.

Одним из первых результатов их деятельности стало появление нового физического эталона длины. В 1877 году заказ на его изготовление был передан лондонской фирме Johnson, Matthey and Co. Она отправила в Париж несколько платиново-иридиевых линеек Х-образного поперечного сечения длиной около 102 см. На каждую линейку была нанесена пара тончайших штрихов, расстояние между которыми воспроизводило протяженность Архивного Метра. Точного соответствия с первого раза достичь не удалось, поэтому было решено отобрать линейку с минимальной погрешностью (она составила 6 микрометров) и использовать ее качестве временного эталона. В 1882 году фирме заказали еще тридцать таких же линеек, среди которых нашлась одна практически точная копия Архивного Метра.

В 1889 году первая Генеральная конференция по мерам и весам постановила считать международным эталоном метра расстояние между ее штрихами, измеренное при температуре тающего льда. Эту линейку передали в Международное бюро мер и весов в Севре, где она с тех пор и хранится. Остальные линейки распределили между странами-участницами Метрической Конвенции. Тогда же был изготовлен из такого же сплава платины и иридия и новый международный эталон килограмма, который также хранится в Севре. Как и эталон метра, он был многократно скопирован в том же материале.

Соединенные Штаты получили две метровые линейки и две копии килограммового эталона, которые были доставлены в Вашингтон в опломбированных контейнерах. 2 января 1890 года контейнер с линейкой № 21 был вскрыт на официальной церемонии в Белом Доме в присутствии президента США Бенджамина Харрисона (Benjamin Harrison). Одновременно был распечатан контейнер с одной из двух причитавшихся Соединенным Штатам копий международного эталона килограмма. Затем все эти эталоны были помещены на хранение в Управление Мер и Весов (Office of Weights and Measures) Службы Береговых и Геодезических измерений США (US Coast and Geodetic Survey).

Однако ни парижская линейка, ни ее “национальные” копии-заместители не пользуются статусом эталона уже почти полвека. В 1948 году девятая Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала ввести новый линейный стандарт, основанный на оптических измерениях (французский физик Жак Бабине впервые предложил такую реформу еще в 1827 году). Двенадцатью годами позднее одиннадцатая Генконференция постановила принять за метр 1 650 763 . 73 длин волн излучения атомов криптона-86, которое генерируется при переходе оболочечных электронов с уровня 2p10 на уровень 5d5. А в 1983 году семнадцатая Генконференция решила считать метром расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Эта дефиниция действует и про сей день.

WPF
Февраль 2006 г.