История счетчика - History of the metre
История метра начинается с научной революции , которая , как считается, начали с Николаус Коперника публикации «s о О вращении небесных сфер в 1543. Все более точные измерения были необходимы, и ученые искали меры , которые являются универсальными и могут быть основаны на естественных явления, а не королевский указ или физические прототипы. Вместо того, чтобы использовать различные сложные системы деления, они также предпочли десятичную систему, чтобы облегчить свои вычисления.
С Французской революцией (1789 г.) возникло желание заменить многие особенности Ancien Régime , включая традиционные единицы измерения . В качестве базовой единицы длины многие ученые отдавали предпочтение секундному маятнику (маятник с полупериодом в одну секунду) столетием ранее, но это было отвергнуто, поскольку было обнаружено, что он варьируется от места к месту в зависимости от местной силы тяжести и что он может дополнять измерения дуги меридиана при определении фигуры Земли . Была введена новая единица измерения длины - метр - определяемая как одна десятимиллионная кратчайшего расстояния от Северного полюса до экватора, проходящего через Париж , при условии, что земное сглаживание составляет 1/334.
Однако для практических целей стандартный измеритель был доступен в виде платинового слитка, хранящегося в Париже. В свою очередь, в 1889 году по инициативе Международной геодезической ассоциации они были заменены тридцатью платино-иридиевыми слитками, хранившимися по всему миру. Сравнение новых прототипов измерителя друг с другом и с измерителем Комитета (французский язык: Mètre des Archives ) включало разработку специального измерительного оборудования и определение воспроизводимой шкалы температур. Прогресс науки, наконец, позволил дематериализовать определение измерителя, поэтому в 1960 году новое определение, основанное на определенном количестве длин волн света от определенного перехода в криптоне-86, позволило стандарту стать универсальным путем измерения. В 1983 году это было обновлено до длины, определенной в терминах скорости света , которая была изменена в 2019 году:
- Метр (символ m) - это единица измерения длины в системе СИ. Он определяется как фиксированное числовое значение скорости света в вакууме c равным299 792 458, когда выражается в единицах м⋅с -1 , где секунда определяется в терминах частоты цезия Δ ν Cs .
В середине девятнадцатого века метр получил распространение во всем мире, особенно в научных целях, и был официально установлен в качестве международной единицы измерения в соответствии с Метрической конвенцией 1875 года. Там, где все еще используются более старые традиционные меры длины, теперь они определяются в единицах метра. - например , с 1959 года двор официально определен как ровно 0,9144 метра.
Универсальная мера
Стандартные меры длины в Европе разошлись друг с другом после падения Каролингской империи (около 888 г.): хотя меры можно было стандартизировать в пределах данной юрисдикции (которая часто была немногим больше, чем один рыночный город), существовало множество вариантов измерять между регионами. Действительно, поскольку меры часто использовались в качестве основы для налогообложения (например, ткани), использование определенной меры было связано с суверенитетом данного правителя и часто диктовалось законом.
Тем не менее, с возрастающей научной деятельностью 17-го века последовали призывы к учреждению стандартной меры или " metro cattolico " (как сказал итальянец Тито Ливио Бураттини ), которая была бы основана на природных явлениях, а не на королевском указе, и также была бы десятичная дробь, а не использование различных систем деления, часто двенадцатеричных , которые сосуществовали в то время.
В 1645 году Джованни Баттиста Риччоли первым определил длину « секундного маятника » ( маятник с полупериодом в одну секунду ). В 1671 году Жан Пикар измерил длину «секундного маятника» в Парижской обсерватории . Он нашел ценность 440,5 линий Туаза Шатле, который был недавно обновлен. Он предложил универсальный туаз (фр. Toise universelle ), который был вдвое длиннее секундного маятника. Однако вскоре было обнаружено, что длина секундного маятника варьируется от места к месту: французский астроном Жан Ришер измерил разницу в длине на 0,3% между Кайеной (во Французской Гвиане) и Парижем.
Жан Ришер и Джованни Доменико Кассини измерили параллакс Марса между Парижем и Кайенной во Французской Гвиане, когда Марс находился ближе всего к Земле в 1672 году. Они получили значение солнечного параллакса в 9,5 угловых секунд, что эквивалентно расстоянию между Землей и Солнцем в около 22000 радиусов Земли. Они также были первыми астрономами, получившими доступ к точному и надежному значению радиуса Земли , который был измерен их коллегой Жаном Пикаром в 1669 году и составил 3269 тысяч туазов . Исаак Ньютон использовал это измерение для установления своего закона всемирного тяготения . Геодезические наблюдения Пикарда ограничивались определением величины Земли, рассматриваемой как сфера, но открытие, сделанное Жаном Ришером, привлекло внимание математиков к ее отклонению от сферической формы. Определение фигуры Земли стало задачей первостепенной важности в астрономии, поскольку диаметр Земли был единицей измерения всех небесных расстояний.
Главной французской единицей длины был Туаз Парижа , эталоном которого был Туаз Шатле, который был установлен за пределами Гранд Шатле в Париже с 1668 по 1776 год. В 1735 году два геодезических стандарта были откалиброваны по Туазу Шатле. Один из них, Туаз в Перу, использовался Испано-французской геодезической миссией . В 1766 году Туаз Перу стал официальным стандартом Туаза во Франции и был переименован в Туаз Академии (французский: Toise de l'Académie ).
В своей знаменитой работе Théorie de la figure de la terre, tirée des Principes de l'hydrostatique («Теория фигуры Земли, взятой из Принципов гидростатики»), опубликованной в 1743 году, Алексис Клод Клеро синтезировал взаимосвязи, существующие между гравитацией. и форма Земли. Клеро изложил там свою теорему, которая установила связь между гравитацией, измеренной на разных широтах, и уплощением Земли, рассматриваемой как сфероид, состоящий из концентрических слоев переменной плотности. К концу 18-го века геодезисты пытались согласовать значения сглаживания, полученные из измерений дуг меридианов, с данными сфероида Клеро, полученными из измерения силы тяжести. В 1789 году Пьер-Симон де Лаплас вычислением с учетом мер меридиональных дуг, известных в то время, получил сглаживание 1/279. Гравиметрия дала ему сплющивание 1/359. Адриан-Мари Лежандр тем временем обнаружил сплющивание 1/305. Комиссия мер и весов примет в 1799 году сглаживание 1/334, объединив дугу Перу и данные меридиана Деламбра и Мешена.
Геодезические изыскания нашли практическое применение во французской картографии и в англо-французском исследовании , которое было направлено на соединение Парижской и Гринвичской обсерваторий и привело к Главной триангуляции Великобритании . Французская единица измерения длины была Туаз де Пари , разделенная на шесть футов . Английской единицей длины был ярд , который стал геодезической единицей, используемой в Британской империи .
Несмотря на научный прогресс в области геодезии , до Французской революции 1789 года в создании «универсальной меры» не было достигнуто большого практического прогресса. все политические точки зрения, даже если для этого требовался толчок революции. Талейран возродил идею секундного маятника перед Учредительным собранием в 1790 году, предложив определить новую меру на 45 ° северной широты (широта, которая во Франции проходит к северу от Бордо и к югу от Гренобля): несмотря на поддержку Собрание ничего не вышло из предложения Талейрана.
Меридиональное определение
Вопрос о реформе измерений был передан в руки Академии наук , которая назначила комиссию под председательством Жана-Шарля де Борда . Борда был ярым сторонником десятичной дроби : он изобрел « повторяющийся круг », геодезический инструмент, который позволил значительно повысить точность измерения углов между ориентирами, но настоял на том, чтобы его калибровали по « градациям » ( 1 ⁄ 100 от четверть круг) , а не градусы , с 100 минут до класса и 100 секунд до одной минуты. Борда считал, что маятник секунд был плохим выбором для стандарта, потому что существующая секунда (как единица времени) не была частью предложенной десятичной системы измерения времени - системы 10 часов в день, 100 минут в час. и 100 секунд до минуты - введен в 1793 году.
Вместо метода секундного маятника комиссия, в состав которой входили Лагранж , Лаплас , Монж и Кондорсе, решила, что новая мера должна быть равна одной десятимиллионной части расстояния от Северного полюса до экватора ( квадрант земного шара). окружности), измеренного по меридиану, проходящему через Париж. Помимо очевидного соображения о безопасном доступе для французских геодезистов, парижский меридиан был также разумным выбором по научным причинам: часть квадранта от Дюнкерка до Барселоны (около 1000 км, или одна десятая от общей площади) могла быть обследована с помощью начальная и конечная точки находились на уровне моря, и эта часть находилась примерно в середине квадранта, где ожидалось , что эффекты сжатия Земли будут самыми большими. Испано-французской геодезическая миссия подтвердила , что ускорение тела вблизи поверхности Земли обусловлено совместное действие гравитации и центробежного ускорения . Действительно, теперь мы знаем, что результирующее ускорение по направлению к земле примерно на 0,5% больше на полюсах, чем на экваторе. Отсюда следует, что полярный диаметр Земли меньше ее экваториального диаметра. Академии наук планируется вывести уплощение Земли с обеих различий длины между в меридиональных частей , соответствующих одной степени от широты и вариаций гравитационного ускорения (см теорему Клеро ). Жан-Батист Биот и Франсуа Араго опубликовали в 1821 году свои наблюдения, дополняющие наблюдения Деламбра и Мешена. Это был учет изменения длины градусов широты вдоль парижского меридиана, а также учет изменения длины секундного маятника вдоль того же меридиана. Длина секундного маятника была средством измерения g , местного ускорения, возникающего в результате комбинации местной силы тяжести и центробежного ускорения, которое изменяется в зависимости от широты (см . Гравитацию Земли ).
Задача исследования дуги меридиана выпала на долю Пьера Мешена и Жан-Батиста Деламбра и заняла более шести лет (1792–1798). Технические трудности были не единственными проблемами, с которыми геодезисты столкнулись в период потрясений после революции: Мешен и Деламбр, а затем и Араго , были несколько раз заключены в тюрьму во время своих исследований, а Мешен умер в 1804 году от желтой лихорадки , которая он заключил контракт, пытаясь улучшить свои первоначальные результаты на севере Испании. В то же время, комиссия рассчитывается временное значение из старых съемок 443.44 Lignes . Это значение было установлено законом 7 апреля 1795 года.
Проект был разделен на две части: северный участок протяженностью 742,7 км от колокольни, от Дюнкерка до собора Родез, обследованный Деламбре, и южный участок протяженностью 333 км от Родеза до крепости Монжуик в Барселоне, который исследовал Мешен.
.jpg)
Деламбра использовала базовую линию около 10 км (6,075.90 туаза ) в длине вдоль прямой дороги между Мелунами и Lieusaint . В ходе операции, продолжавшейся шесть недель, базовый уровень был точно измерен с помощью четырех платиновых стержней, каждая длиной два туза ( длина туза составляет около 1,949 м). После этого он по возможности использовал точки триангуляции, использованные Кассини в его обзоре Франции 1744 года. Исходные Méchain, в аналогичных длины (6,006.25 туаза ), а также на прямом участке дороги между Vernet (в Перпиньянской области) и Salces (теперь Salses-ль-Шато ). Хотя сектор Мешена составлял половину длины Деламбра, он включал Пиренеи и ранее не исследованные части Испании. Международная комиссия в составе Габриэля Сискара, Жан-Батиста Деламбра, Пьера- Симона Лапласа, Адриана-Мари Лежандра , Пьера Мешена, Жана Анри ван Суиндена и Иоганна Георга Траллеса объединила результаты исследования с результатами Геодезической миссии в Перу и обнаружила значение 1/334 для уплощения Земли . Затем они экстраполировали из измерения дуги парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной расстояние от Северного полюса до экватора, которое было5 130 740 туазов . По мере того как измеритель должен быть равен одной десятимиллионной этого расстояния, он был определен как 0.513074 туаз или 3 футов и 11.296 линий в туаз Перу. Их результат вышел на 0,144 Lignes короче временного значения, разница примерно 0,03%.
Mètre des Archives
Пока Мешен и Деламбр завершали свое исследование, комиссия приказала изготовить серию платиновых слитков на основе предварительного счетчика. Когда был известен окончательный результат, была выбрана полоса, длина которой была ближе всего к меридиональному определению метра, и 22 июня 1799 г. (4 мессидора An VII в республиканском календаре ) она была помещена в Национальный архив в качестве постоянной записи результата. Эта стандартная измерительная планка стала известна как mètre des Archives .
Метрическая система , то есть система единиц на основе метра, была официально принята во Франции 10 декабря 1799 года (19 фримера An VIII) и стала единственной правовой системой мер и весов от 1801 После восстановления империи, В 1812 году старые названия единиц длины были возрождены, но единицы измерения были переопределены в терминах метра: эта система была известна как mesures usuelles и просуществовала до 1840 года, когда десятичная метрическая система снова стала единственной законной мерой. Тем временем Нидерланды приняли метрическую систему с 1816 года. Гельветическая республика, первая из нескольких стран, последовавших примеру Франции, приняла метрическую систему незадолго до ее краха в 1803 году.
По мере расширения исследования стало очевидно, что результат Мешена и Деламбра (443,296 линий ) был немного слишком короток для меридионального определения измерителя. В то время как Обследование боеприпасов расширило британскую съемку на север до Шетландских островов , Араго и Биот расширили съемку на юг в Испании до острова Форментера в западной части Средиземного моря (1806–1809 гг.) И обнаружили, что одна десятимиллионная часть квадранта Земли должны быть 443.31 Lignes : поздние работы увеличили значение 443.39 Lignes .
Некоторые думали, что основа метрической системы может быть подвергнута атаке, указав на некоторые ошибки, которые закрались в измерения двух французских ученых. Мешен даже заметил неточность, которую не осмеливался признать. Луи Пюссан заявил в 1836 году перед Французской академией наук, что Деламбр и Мешен допустили ошибку при измерении дуги французского меридиана. Поскольку эта съемка также была частью основы для карты Франции, Антуан Ивон Вильярсо проверил с 1861 по 1866 год геодезические операции в восьми точках дуги меридиана. Затем были исправлены некоторые ошибки в работе Деламбра и Мешена.
В 1866 году на конференции Международной геодезической ассоциации в Невшателе Карлос Ибаньес и Ибаньес де Иберо объявил о вкладе Испании в измерение дуги французского меридиана. В 1870 году Франсуа Перье возглавил возобновление триангуляции между Дюнкерком и Барселоной. Это новое исследование парижской меридианной дуги , названное Александром Россом Кларком меридианной дугой Западной Европы и Африки , было предпринято во Франции и в Алжире под руководством Франсуа Перье с 1870 года до его смерти в 1888 году. Жан-Антонен-Леон Бассо завершил задание было выполнено в 1896 году. Согласно расчетам, сделанным в центральном бюро международной ассоциации по дуге большого меридиана, простирающейся от Шетландских островов через Великобританию, Францию и Испанию до Эль-Агуата в Алжире, экваториальный радиус Земли составлял 6377935 метров. эллиптичность принимается равной 1 / 299,15. Современное значение для эталонного сфероида WGS 84 с уплощением Земли 1 /298,257 223 563 , это1.000 196 57 × 10 7 м для расстояния от Северного полюса до экватора.
Более точное определение Фигуры Земли стало результатом измерения геодезической дуги Струве (1816–1855 гг.) И дало бы другое значение для определения этого стандарта длины. Это не сделало измеритель недействительным, но подчеркнуло, что прогресс в науке позволит лучше измерить размер и форму Земли. В Mètre де Archives остается законным и практическим стандартом для счетчика во Франции, даже когда это было известно , что это не точно соответствуют меридиональной определению. Когда было принято решение (в 1867 г.) о создании нового международного стандартного метра , длина была принята как длина mètre des Archives «в том состоянии, в котором он должен быть найден».
Одним из важных международных применений меридионального определения измерителя была первоначальная работа, проведенная Британской ассоциацией развития науки (BA) над электрическими единицами, которая должна была привести к Международной системе электрических и магнитных единиц . Часто утверждалось, что международные электрические единицы образуют согласованный набор абсолютных единиц в системе квадрант-одиннадцатый грамм-секунда (также известной как «система QES» или «система QES»), где единицей длины является квадрант земного шара. Для полярной окружности единица массы была « одиннадцатым граммом » или 10 -11 граммами, а единицей времени была секунда . Тем не менее точность абсолютных электрических измерений в конце девятнадцатого века не была такой, чтобы разница в 0,02% в определениях измерителя имела какое-либо практическое значение.
В 1832 году Карл Фридрих Гаусс изучил магнитное поле Земли и предложил добавить секунду к основным единицам метра и килограмма в виде системы CGS ( сантиметр , грамм , секунда). В 1836 году он основал Magnetischer Verein , первую международную научную ассоциацию, в сотрудничестве с Александром фон Гумбольдтом и Вильгельмом Эдуардом Вебером . Геофизика или изучение Земли средствами физики предшествовали физике и способствовали развитию ее методов. В первую очередь это была натурфилософия , целью которой было изучение таких природных явлений, как магнитное поле Земли, молнии и гравитация . Координация наблюдений за геофизическими явлениями в разных точках земного шара имела первостепенное значение и положила начало созданию первых международных научных ассоциаций. За основанием Magnetischer Verein последует Международная геодезическая ассоциация в Центральной Европе по инициативе Иоганна Якоба Байера в 1863 году и Международная метеорологическая организация в 1879 году.
Первоначальным агентством-предшественником Национальной геодезической службы было Управление побережья США , созданное в рамках Министерства финансов США в соответствии с законом Конгресса от 10 февраля 1807 года для проведения «Обследования побережья». Обзор побережья, то правительство Соединенных Штатов «S первое научное агентство, представлял интерес администрации в президента Томаса Джефферсона в области науки и стимулирование международной торговли с использованием научных геодезических методов картировать воды Соединенных Штатов и сделать их безопасен для навигации. Швейцарский эмигрант с опытом работы в обоих межеванию и стандартизации мер и весов , Фердинанд Р. Hassler , был выбран , чтобы привести обследование.
Хасслер представил план съемочных работ, включающий использование триангуляции для обеспечения научной точности съемок, но международные отношения помешали новой съемке побережья начать свою работу; Закон Эмбарго 1807 принес американскую внешнюю торговлю практически остановилась только через месяц после назначения Häßler и остается в силе до тех пор , Джефферсон покинул свой пост в марте 1809 г. Он не был до 1811 г. , что преемник Джефферсона, президент Джеймс Мэдисон , послал Häßler в Европу для покупки инструменты, необходимые для проведения планового обследования, а также стандартизированные меры и веса. Хасслер уехал 29 августа 1811 года, но восемь месяцев спустя, когда он был в Англии , разразилась война 1812 года , вынудившая его оставаться в Европе до ее завершения в 1815 году. Хасслер не вернулся в Соединенные Штаты до 16 августа 1815 года.
Геодезические работы наконец начались в 1816 году, когда Хасслер начал работу в окрестностях Нью-Йорка . Первая базовая линия была измерена и проверена в 1817 году. Единицей измерения длины, к которой будут отнесены все расстояния, измеренные в ходе исследования побережья США , был метр Комитета (французский: Mètre des Archives ) , копию которого Фердинанд Рудольф Хасслер принес в США в 1805 году .
В 1835 году изобретение телеграфа Сэмюэлем Морсом позволило добиться новых успехов в области геодезии, поскольку долготы были определены с большей точностью. Более того, публикация в 1838 году « Gradmessung in Ostpreussen» Фридриха Вильгельма Бесселя ознаменовала новую эру в геодезии. Здесь был найден метод наименьших квадратов, применяемый для вычисления сети треугольников и обработки наблюдений в целом. Систематический способ проведения всех наблюдений с целью получения окончательных результатов с высочайшей точностью заслуживает восхищения. Для своего исследования Бессель использовал копию Туаз Перу, построенную в 1823 году Фортином в Париже.
В 1860 году российское правительство по просьбе Отто Вильгельма фон Струве предложило правительствам Бельгии, Франции, Пруссии и Англии соединить свои триангуляции, чтобы измерить длину дуги, параллельной 52 ° широты, и проверить точность измерений. фигура и размеры Земли, полученные из измерений дуги меридиана. Чтобы объединить измерения, необходимо было сравнить геодезические эталоны длины, используемые в разных странах. Британское правительство предложило правительствам Франции, Бельгии, Пруссии, России, Индии, Австралии, Австрии, Испании, США и мыса Доброй Надежды прислать свои эталоны в офис Управления боеприпасов в Саутгемптоне. Примечательно, что геодезические стандарты Франции, Испании и США были основаны на метрической системе, тогда как стандарты Пруссии, Бельгии и России были откалиброваны по туазу , самым старым физическим представителем которого был туаз из Перу. Туаз в Перу был построен в 1735 году в качестве ориентира Испано-французской геодезической миссии , проводившейся в Эквадоре с 1735 по 1744 год.
В 1861 году Иоганн Якоб Байер опубликовал отчет, в котором предлагал европейским странам сотрудничать в определении фигуры Земли . В 1862 году, когда Дания, Саксен-Гота, Нидерланды, Россия (для Польши), Швейцария, Баден, Саксония, Италия, Австрия, Швеция, Норвегия, Бавария, Мекленбург, Ганновер и Бельгия решили участвовать, Туаз Бесселя был принят как международный. геодезический стандарт.
Будучи предшественницей Европы, Испания приняла метр в качестве геодезического стандарта. В 1866 году Испания присоединилась к геодезической ассоциации и была представлена Карлосом Ибаньесом и Ибаньесом де Иберо. Он разработал геодезический стандарт, откалиброванный по счетчику, который сравнивали с Туазом Борда (копия Туаза Перу, построенного Деламбром и Мешеном для измерения дуги парижского меридиана), который служил модулем сравнения для измерение всех геодезических баз во Франции. Копия испанского метрического геодезического стандарта была сделана для Египта. В 1863 году Ибаньес и Исмаил Эффенди Мустафа сравнили испанский стандарт с египетским стандартом в Мадриде . Эти сравнения были важны из-за способности твердых материалов расширяться при повышении температуры, которая была продемонстрирована в 18 веке. Знаменитый французский физик и геодезист Пьер Бугер продемонстрировал его эффект на большом собрании в Отеле Инвалидов . Действительно, один факт постоянно доминировал над всеми колебаниями представлений об измерении геодезических баз: это была постоянная забота о точной оценке температуры эталонов в полевых условиях; и определение этой переменной, от которой зависела длина инструмента измерения, всегда считалось геодезистами настолько сложным и настолько важным, что можно было почти сказать, что история измерительных инструментов почти идентична истории принимаемых мер предосторожности. чтобы избежать температурных ошибок. Использование прибора Фердинандом Рудольфом Хасслером в прибрежной съемке, которое было аргументом в пользу введения Метрического закона 1866 года, разрешающего использование прибора в Соединенных Штатах, вероятно, также сыграло роль в выборе прибора в качестве международная научная единица длины и предложение от 1867 г. European Arc Measurement (нем. Europäische Gradmessung ) «создать европейское международное бюро мер и весов».
European Arc Measurement решила создать международный геодезический стандарт для измерения базовых линий на Генеральной конференции, состоявшейся в Париже в 1875 году.
Парижская конференция по европейским измерениям дуги также рассмотрела лучший инструмент для определения силы тяжести. После углубленного обсуждения, в котором принял участие американский ученый Чарльз Сандерс Пирс , ассоциация приняла решение в пользу маятника реверсии, который использовался в Швейцарии, и было решено переделать его в Берлине, на станции, где находился Фридрих Вильгельм. Бессель провел свои знаменитые измерения, определение силы тяжести с помощью различных устройств, используемых в разных странах, чтобы сравнить их и, таким образом, получить уравнение их шкал.
Успехи метрологии в сочетании с достижениями гравиметрии за счет усовершенствования маятника Катера привели к новой эре геодезии . Если бы прецизионная метрология нуждалась в помощи геодезии, она не могла бы продолжать процветать без помощи метрологии. В самом деле, как выразить все измерения земных дуг как функцию одной единицы и все определения силы тяжести с помощью маятника , если бы метрология не создала общую единицу, принятую и уважаемую всеми цивилизованными странами, и если бы, кроме того, не сравнить с большой точностью с одной и той же единицей все линейки для измерения геодезических баз и все маятниковые стержни, которые до сих пор использовались или будут использоваться в будущем? Только когда эта серия метрологических сравнений будет завершена с вероятной ошибкой в одну тысячную миллиметра, геодезия сможет связать работы разных народов друг с другом, а затем объявить результат измерения Земного шара.
Оборотный маятник , построенный братьями Репсольда использовался в Швейцарии в 1865 году Эмиль Плантамур для измерения силы тяжести в шести станциях швейцарской геодезической сети. Следуя примеру этой страны и под патронатом Международной геодезической ассоциации, Австрия, Бавария, Пруссия, Россия и Саксония провели измерения силы тяжести на своих территориях. Поскольку фигура Земли могла быть выведена из вариаций длины секундного маятника в зависимости от широты , весной 1875 года руководство Службы береговой службы Соединенных Штатов поручило Чарльзу Сандерсу Пирсу отправиться в Европу с целью проведения экспериментов с маятником на главных начальных станциях. операции такого рода, чтобы привести определения сил гравитации в Америке в связь с определениями сил гравитации в других частях света; а также с целью тщательного изучения методов проведения этих исследований в разных странах Европы.
В 1886 году ассоциация изменила название на Международную геодезическую ассоциацию (нем. Internationale Erdmessung ). После смерти Иоганна Якоба Байера , Карлос Ибаньес е Ибаньес де Иберо стал первым президентом Международной ассоциации Геодезические от 1887 до его смерти в 1891. В течение этого периода Международная ассоциация Геодезические получила всемирное значение с присоединением Соединенных Штатов, Мексики, Чили, Аргентина и Япония.
Попытки дополнить различные национальные геодезические системы, которые начались в 19 веке с основания Mitteleuropäische Gradmessung , привели к серии глобальных эллипсоидов Земли (например, Helmert 1906, Hayford 1910/1924), которые позже привели к развитию Всемирная геодезическая система . В настоящее время практическая реализация измерителя возможна повсюду благодаря атомным часам, встроенным в спутники GPS .
Международный прототип счетчика
Тесные отношения, которые неизбежно существовали между метрологией и геодезией, объясняют, что Международная ассоциация геодезии , основанная для объединения и использования геодезических работ разных стран, с целью достижения нового и более точного определения формы и размеров Земного шара, дала рождение идеи реформировать основы метрической системы , расширяя ее и делая ее международной. Нет, как это ошибочно предполагалось в течение определенного времени, что у Ассоциации была ненаучная мысль об изменении длины метра, чтобы точно соответствовать его историческому определению в соответствии с новыми значениями, которые будут найдены для земного меридиана. Но, занятые объединением дуг, измеренных в разных странах, и соединением соседних триангуляций, геодезисты столкнулись в качестве одной из главных трудностей с досадной неопределенностью, которая царила над уравнениями используемых единиц длины. Адольф Хирш , генерал Байер и полковник Ибаньес решили, чтобы сделать все стандарты сопоставимыми, предложить Ассоциации выбрать счетчик для геодезической единицы и создать международный прототип счетчика, как можно меньше отличающийся от mètre des Archives.
В 1867 году European Arc Measurement (нем. Europäische Gradmessung ) призвал к созданию нового международного прототипа счетчика (IPM) и организации системы, в которой национальные стандарты можно было бы сравнивать с ним. Французское правительство оказало практическую поддержку созданию Международной метрологической комиссии, которая собиралась в Париже в 1870 году и снова в 1872 году с участием около тридцати стран. На заседании 12 октября Карлос Ибаньес и Ибаньес де Иберо был избран президентом Постоянного комитета Международной метрологической комиссии, которая должна была стать Международным комитетом мер и весов (ICWM).
Метрическая Конвенция была подписана 20 мая 1875 г. в Париже , и Международного бюро мер и весов была создана под руководством Международного комитета мер и весов . Президентство Карлос Ибаньес е Ibanez де Иберо было подтверждено на первом заседании Международного комитета по мерам и весам, 19 апреля 1875. Три других членов комитета, немецкий астроном, Вильгельм Ферстер , швейцарский метеоролог и физик , Генрих фон Уайлд представляющий Россию, и швейцарский геодезист немецкого происхождения Адольф Хирш также были одними из главных архитекторов Метрической конвенции.
В знак признания роли Франции в разработке метрической системы, BIPM базируется в Севре , недалеко от Парижа. Однако, как международная организация, BIPM находится под полным контролем дипломатической конференции, Conférence générale des poids et mesures (CGPM), а не правительства Франции.
В 1889 году Генеральная конференция по мерам и весам собралась в Севре, резиденции Международного бюро. Он совершил первый великий подвиг, продиктованный девизом, начертанным на фронтоне великолепного здания, то есть метрической системой: « A tous les temps, a tous les peuples » (На все времена, для всех народов); и этот акт заключался в утверждении и распространении среди правительств штатов, поддерживающих Метрическую конвенцию, прототипов эталонов неизвестной до сих пор точности, предназначенных для распространения метрической единицы по всему миру.
Для метрологии вопрос расширения был фундаментальным; на самом деле ошибка измерения температуры, связанная с измерением длины пропорционально расширяемости эталона, и постоянно возобновляемые усилия метрологов по защите своих измерительных приборов от мешающего влияния температуры ясно показали, какое значение они придают расширению. вызванные ошибки. Общеизвестно, например, что эффективные измерения возможны только внутри здания, комнаты которого хорошо защищены от изменений внешней температуры, и само присутствие наблюдателя создает помехи, от которых часто необходимо проводить измерения. строгие меры предосторожности. Таким образом, Договаривающиеся государства также получили набор термометров, точность которых позволяет обеспечить точность измерения длины. Международный прототип также будет «линейным стандартом»; то есть измеритель был определен как расстояние между двумя линиями, нанесенными на полосе, что позволяет избежать проблем износа конечных стандартов.
Создание международного прототипа счетчика и копий, которые являлись национальными эталонами, находилось в пределах технических возможностей того времени. Стержни были изготовлены из специального сплава, 90% платины и 10% иридия , который был значительно тверже, чем чистая платина, и имел специальное X-образное поперечное сечение (« сечение Tresca », названное в честь французского инженера Анри Треска ) для минимизации влияние деформации кручения при сравнении длины. Первые отливки оказались неудовлетворительными, и работа была поручена лондонской фирме Johnson Matthey, которой удалось произвести тридцать слитков в соответствии с требуемой спецификацией. Один из них, № 6, был определен как идентичный по длине mètre des Archives , и был освящен в качестве международного прототипа счетчика на первом заседании CGPM в 1889 году. Другие стержни, должным образом откалиброванные по международному прототипу, были распространены среди стран, подписавших Метрическую конвенцию, для использования в качестве национальных стандартов. Например, США получили № 27 калиброванной длины0,999 9984 м ± 0,2 мкм (на 1,6 мкм меньше международного прототипа).
Сравнение новых прототипов измерителя друг с другом и с измерителем Комитета (французский язык: Mètre des Archives ) включало разработку специального измерительного оборудования и определение воспроизводимой шкалы температур. Первое (и единственное) последующее сравнение национальных эталонов с международным прототипом было проведено между 1921 и 1936 годами и показало, что определение измерителя сохранилось с точностью до 0,2 мкм. В это время было решено, что требуется более формальное определение метра (решение 1889 года просто говорило, что «прототип при температуре таяния льда отныне будет представлять метрическую единицу длины»), и это было согласовано на 7-й сессии ГКБМ в 1927 году.
Единицей измерения длины является метр, определяемый расстоянием в 0 ° между осями двух центральных линий, отмеченных на платино-иридиевом стержне, хранящемся в Международном бюро поидс и мер и объявленном прототипом измерителя. 1st Conférence Générale des Poids et Mesures , этот стержень находится под стандартным атмосферным давлением и поддерживается двумя цилиндрами диаметром не менее одного сантиметра, симметрично расположенными в одной горизонтальной плоскости на расстоянии 571 мм друг от друга.
Требования поддержки представляют собой точку Эйри прототипа-точки, разделенную 4 / 7 общей длину стержня, при которой изгибе или свисать бар сведен к минимуму.
Работа BIPM по термометрии привела к открытию специальных сплавов железо-никель, в частности инвара , за что его директор, швейцарский физик Шарль-Эдуард Гийом , был удостоен Нобелевской премии по физике в 1920 году. В 1900 году Международный комитет по физике Весы и меры откликнулись на запрос Международной геодезической ассоциации и включили в программу работы Международного бюро мер и весов исследование измерений проволоками инвара. Эдвард Йедерин, шведский геодезист, изобрел метод измерения геодезических баз, основанный на использовании натянутых проводов при постоянном усилии. Однако до открытия инвара этот процесс был гораздо менее точным, чем классический метод. Шарль-Эдуар Гийом продемонстрировал эффективность метода Jäderin, улучшенного за счет использования нитей инвара. Он измерил базу в туннеле Симплон в 1905 году. Точность измерений была равна точности старых методов, в то время как скорость и простота измерений были несравненно выше.
Интерферометрические варианты
Первыми интерферометрическими измерениями, выполненными с использованием международного прототипа измерителя, были измерения Альберта А. Михельсона и Жан-Рене Бенуа (1892–1893) и Бенуа, Фабри и Перо (1906), оба с использованием красной линии кадмия . Эти результаты, которые дали длину волны линии кадмия ( λ ≈ 644 нм), привели к определению Ангстрема как вторичной единицы длины для спектроскопических измерений, сначала Международным союзом сотрудничества в области солнечных исследований (1907 г.), а затем. по МК (1927). Работа Майкельсона в «измерения» счетчика прототипа с точностью до 1 / 10 с длиной волны ( <0,1 мкм) была одной из причин , по которой он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1907 году.
К 1950-м годам интерферометрия стала предпочтительным методом точных измерений длины, но оставалась практическая проблема, связанная с используемой системой единиц. Естественной единицей измерения длины, измеренной с помощью интерферометрии, был ангстрём, но затем этот результат нужно было преобразовать в метры с использованием экспериментального коэффициента преобразования - длины волны света, которая использовалась, но измерялась в метрах, а не в ангстремах. Это добавляло дополнительную погрешность измерения к любому результату длины в метрах сверх погрешности фактического интерферометрического измерения.
Решение заключалось в том, чтобы определить измеритель таким же образом, как Ангстрем был определен в 1907 году, то есть с точки зрения лучшей интерферометрической длины волны из имеющихся. Достижения как экспериментальной техники, так и теории показали, что линия кадмия на самом деле была скоплением тесно разделенных линий, и что это было связано с присутствием различных изотопов в природном кадмие (всего восемь). Чтобы получить наиболее точно определенную линию, необходимо было использовать моноизотопный источник, и этот источник должен содержать изотоп с четным числом протонов и нейтронов (чтобы иметь нулевой ядерный спин ).
Некоторые изотопы кадмия , криптона и ртути удовлетворяют условию нулевого ядерного спина и имеют яркие линии в видимой области спектра.
Криптон стандарт
Криптон представляет собой газ при комнатной температуре, что обеспечивает более легкое изотопное обогащение и более низкие рабочие температуры лампы (что снижает уширение линии из-за эффекта Доплера ), поэтому было решено выбрать оранжевую линию криптона-86 ( λ ≈ 606 нм) в качестве нового стандарта длины волны.
Соответственно, 11-я CGPM в 1960 году согласовала новое определение счетчика:
Измеритель представляет собой длину, равную 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона 86.
Измерение длины волны линии криптона не производилось напрямую по международному прототипу измерителя; вместо этого в вакууме определялось отношение длины волны линии криптона к длине волны кадмия. Затем это сравнивали с определением Фабри – Перо в 1906 году длины волны линии кадмия в воздухе (с поправкой на показатель преломления воздуха). Таким образом, новое определение измерителя было прослежено как к старому прототипу измерителя, так и к старому определению ångström.
Стандарт скорости света
Лампа криптона-86 разряд операционного в тройной точке из азота (63,14 К, -210,01 ° С) был источник для интерферометрии состояния современного света в 1960 году, но вскоре должны быть заменено новым изобретением: лазера , из которых первая рабочая версия была построена в том же году , как переопределение метра. Лазерный свет обычно очень монохроматический, а также когерентный (весь свет имеет одинаковую фазу , в отличие от света газоразрядной лампы), и то и другое является преимуществом для интерферометрии.
Недостатки криптонового стандарта были продемонстрированы при измерении длины волны света гелий-неонового лазера, стабилизированного метаном ( λ ≈ 3,39 мкм). Линия криптона оказалась асимметричной, поэтому для лазерного излучения можно было найти разные длины волн в зависимости от того, какая точка на линии криптона была взята за основу. Асимметрия также повлияла на точность измерения длин волн.
Развитие электроники также позволило впервые измерить частоту света в видимой области спектра или около нее, вместо того, чтобы определять частоту по длине волны и скорости света . Хотя видимые и инфракрасные частоты все еще были слишком высокими для прямого измерения, можно было построить «цепочку» лазерных частот, которые при соответствующем умножении отличаются друг от друга только непосредственно измеряемой частотой в микроволновом диапазоне . Частота излучения лазера, стабилизированного метаном, оказалась равной 88,376 181 627 (50) ТГц.
Независимые измерения частоты и длины волны, по сути, являются измерением скорости света ( c = fλ ), и результаты, полученные с помощью лазера, стабилизированного метаном, дали значение скорости света с погрешностью, почти в 100 раз меньшей, чем предыдущие. измерения в микроволновом диапазоне. Или, что несколько неудобно, результаты дали два значения скорости света в зависимости от того, какая точка на линии криптона была выбрана для определения измерителя. Эта неоднозначность была решена в 1975 году, когда 15 - ГК одобрили обычное значение скорости света , как точно 299 792 458 м с -1 .
Тем не менее инфракрасное излучение лазера, стабилизированного метаном, было неудобно для практической интерферометрии. Лишь в 1983 г. цепочка частотных измерений достигла линии 633 нм гелий-неонового лазера, стабилизированной молекулярным йодом . В том же году 17-я сессия CGPM приняла определение метра в терминах общепринятого значения скорости света 1975 года:
- Метр - это длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени 1 ⁄ 299 792 458 секунды.
Это определение было изменено в 2019 году:
- Метр (символ m) - это единица измерения длины в системе СИ. Он определяется как фиксированное числовое значение скорости света в вакууме c равным299 792 458, когда выражается в единицах м⋅с -1 , где секунда определяется в терминах частоты цезия Δ ν Cs .
Концепция определения единицы длины в единицах времени получила некоторые комментарии. В обоих случаях практическая проблема заключается в том, что время может быть измерено более точно, чем длина (одна часть из 10 13 в секунду при использовании цезиевых часов, в отличие от четырех частей из 10 9 для метра в 1983 году). Определение скорости света также означает, что измеритель может быть реализован с использованием любого источника света известной частоты, вместо того, чтобы определять «предпочтительный» источник заранее. Учитывая, что в видимом спектре йода имеется более 22 000 линий, любая из которых потенциально может быть использована для стабилизации лазерного источника, преимущества гибкости очевидны.
История определений с 1798 г.
| Основа определения | Дата | Абсолютныйнеуверенность | Родственникнеуверенность |
|---|---|---|---|
| 1 ⁄ 10 000 000 части одной половины меридиана , измерение Деламбра и Мешена | 1798 | 0,5–0,1 мм | 10 −4 |
| Первый прототип Mètre дез Архивы платины бар стандарт | 1799 | 0,05–0,01 мм | 10 −5 |
| Платино-иридиевый слиток при температуре плавления льда (1-й CGPM ) | 1889 г. | 0,2–0,1 мкм | 10 −7 |
| Платино-иридиевый слиток при температуре плавления льда при атмосферном давлении, поддерживаемый двумя роликами (7-я CGPM) | 1927 г. | н / д | н / д |
| 1650763,73 длины волны света от указанного перехода в криптоне-86 (11-я CGPM) | 1960 г. | 0,01–0,005 мкм | 10 −8 |
| Длина пути, проходимого светом в вакууме за 1 ⁄ 299 792 458 секунды (17-я CGPM) | 1983 г. | 0,1 нм | 10 −10 |
Смотрите также
Примечания
использованная литература
внешние ссылки
- Чисхолм, Хью, изд. (1911). . Британская энциклопедия . 18 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.