Метр

Эта статья о единице длины. Чтобы узнать о других значениях слов «метр» или «метр», см. « Метр (значения)» .

метр
Исторический эталон общественного счетчика в Париже
Общая информация
Система единиц	И
Единица	длина
Символ	м
Конверсии
1 м в ...	... равно ...
единицы СИ	1000 мм 0,001 км
Имперские / американские единицы	≈ 1,0936 ярда ≈ 3,2808 футов ≈ 39,37 дюйма
Морские подразделения	≈ 0,000 539 96   морских миль

Метр метр (или в в американском написании ; символ: . Международной системе единиц м) — базовая единица длины ( СИ ) С 2019 года метр определяется как длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени 1/299 где 792 458 , секунды . секунда определяется сверхтонкого перехода цезия частотой

Первоначально метр был определен в 1791 году Национальным собранием Франции как одна десятимиллионная расстояния от экватора до Северного полюса по большому кругу , поэтому полярная окружность Земли составляет примерно 40 000 км .

В 1799 году метр был переопределен в виде прототипа метровой линейки, используемая полоска была изменена в 1889 году, а в 1960 году метр был переопределен в терминах определенного количества длин волн определенной линии излучения криптона -86 . Нынешнее определение было принято в 1983 году и немного изменено в 2002 году, чтобы уточнить, что метр является мерой правильной длины . С 1983 по 2019 год метр формально определялся как длина пути, пройденного светом в вакууме. 1/299 ​ ​ 792 458 секунды ​ . После переопределения базовых единиц СИ в 2019 году это определение было перефразировано, включив в него определение секунды в терминах частоты цезия Δ ν _Cs . Эта серия поправок существенно не изменила размер метра – сегодня полярная окружность Земли составляет 40 007,863 км , что на 0,022% меньше первоначального значения, составлявшего ровно 40 000 км , что также включает повышение точности измерения длина окружности.

Орфография

Печать Международного бюро мер и весов (BIPM) - Мера использования (греч. ΜΕΤΡΩ ΧΡΩ )

Метр — стандартное написание метрической единицы длины почти во всех англоязычных странах, за исключением США. и Филиппины которые используют метр .

Измерительные приборы (такие как амперметр , спидометр ) во всех вариантах английского языка пишутся как «-метр». Суффикс «-метр» имеет то же греческое происхождение, что и единица длины.

Этимология

Этимологические корни слова метр можно проследить до греческого глагола μετρέω ( метрео ) ((I) измерять, считать или сравнивать) и существительное μέτρον ( метрон ) (мера), которые использовались для физического измерения, поэтического размера и, как следствие, для умеренности или предотвращения экстремизма (например, «будьте измерены в своем ответе»). Этот диапазон использования также встречается в латыни ( metior, mensura ), французском ( mètre, mesure ), английском и других языках. Греческое слово происходит от протоиндоевропейского корня *meh₁- «измерять». Девиз ΜΕΤΡΩ ΧΡΩ ( метро chro ) на печати Международного бюро мер и весов (BIPM), который был высказыванием греческого государственного деятеля и философа Питтака Митилини и может быть переведен как «Используйте меру!», Таким образом, призывает к как измерение, так и модерация . Использование слова «метр» (французская единица измерения «метр ») в английском языке началось, по крайней мере, еще в 1797 году.

История определения

Основная статья: История счетчика

Земли

Меридианный зал Парижской обсерватории (или зал Кассини): Парижский меридиан . на земле нарисован

Галилей открыл гравитационное ускорение , чтобы объяснить падение тел на поверхность Земли. Он также заметил закономерность периода качания маятника и то, что этот период зависел от длины маятника.

Законы движения планет Кеплера послужили как открытию закона всемирного тяготения Ньютона , так и определению Джованни Доменико Кассини расстояния от Земли до Солнца . Они оба также использовали определение размера Земли, которая тогда считалась сферой, Жаном Пикаром посредством триангуляции парижского меридиана . В 1671 году Жан Пикард также измерил длину секундного маятника в Парижской обсерватории и предложил назвать эту единицу измерения астрономическим радиусом (французский: Rayon Astronomique ). В 1675 году Тито Ливио Бураттини предложил термин Metro Cattolico , означающий универсальную меру этой единицы длины, но затем было обнаружено, что длина секундного маятника варьируется от места к месту.

Гравиметр с вариантом маятника Репсольда – Бесселя.

Христиан Гюйгенс обнаружил центробежную силу , которая объяснила изменения гравитационного ускорения в зависимости от широты. Он также математически сформулировал связь между длиной простого маятника и ускорением свободного падения. По словам Алексиса Клеро , изучение изменений гравитационного ускорения было способом определить фигуру Земли , решающим параметром которой было уплощение земного эллипсоида . В 18 веке, помимо своего значения для картографии , геодезия приобрела значение как средство эмпирической демонстрации теории гравитации , которую Эмили дю Шатле продвигала во Франции в сочетании с Лейбница математическими работами , а также потому, что радиус Земли был единица, к которой должны были быть отнесены все небесные расстояния. , Земля оказалась сплюснутым сфероидом, Действительно, согласно геодезическим исследованиям в Эквадоре и Лапландии и эти новые данные поставили под сомнение значение радиуса Земли , как его рассчитал Пикард.

После англо-французского исследования академия наук заказала экспедицию под руководством Жана Батиста Жозефа Деламбра и Пьера Мешена , продолжавшуюся с 1792 по 1798 год, которая измеряла расстояние между колокольней в Дюнкерке и замком Монжуик в Барселоне на долготе Французская Парижский Пантеон . Когда длина метра определялась как одна десятимиллионная расстояния от Северного полюса до экватора , уплощение земного эллипсоида считалось равным 1 / 334 .

В 1841 году Фридрих Вильгельм Бессель , используя метод наименьших квадратов, на основе нескольких дуговых измерений вычислил новую величину сплющивания Земли, которую он определил как 1 / 299.15 . Он также разработал новый прибор для измерения гравитационного ускорения, который впервые был использован в Эмилем Швейцарии Плантамуром , Чарльзом Сандерсом Пирсом и Исааком-Шарлем Элизе Селлерье (8 января 1818 – 2 октября 1889), женевский математик вскоре независимо открыл математическую формулу для исправления систематические ошибки этого устройства, которые были замечены Плантамуром и Адольфом Хиршем . Это позволило Фридриху Роберту Гельмерту определить удивительно точное значение 1 / 298,3 для уплощения Земли, когда он предложил свой эллипсоид отсчета в 1901 году. Это также стало результатом Метрической конвенции 1875 года, когда метр был принят в качестве международной научной единицы длины для удобства геодезистов континентальной Европы по примеру Фердинанда Рудольфа Хасслера .

Меридиональное определение

В 1790 году, за год до того, как было окончательно решено, что метр будет основан на земном квадранте (четверть окружности Земли через ее полюса), Талейран предложил, чтобы метр был длиной секундного маятника на широте 45 °. . Этот вариант, при котором одна треть этой длины определяет ступню , также рассматривался Томасом Джефферсоном и другими для пересмотра определения ярда в Соединенных Штатах вскоре после обретения независимости от Британской Короны .

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 части расстояния от Северного полюса до Экватор . , определенный путем измерений вдоль меридиана, проходящего через Париж Помимо очевидных соображений безопасного доступа для французских геодезистов, парижский меридиан был также разумным выбором по научным причинам: часть квадранта от Дюнкерка до Барселоны (около 1000 км, или одна десятая часть от общего количества) могла быть обследована с помощью начальная и конечная точки находились 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 Бордой и использованных для этого обзора, также породили надежды на более точное определение длины этой дуги меридиана.

Задача съемки дуги парижского меридиана заняла более шести лет (1792–1798). Технические трудности были не единственными проблемами, с которыми геодезистам пришлось столкнуться в конвульсивный период после Французской революции: Мешен и Деламбр, а затем и Араго , несколько раз попадали в тюрьму во время своих исследований, а Мешен умер в 1804 году от желтой лихорадки. которым он заразился, пытаясь улучшить свои первоначальные результаты на севере Испании. Тем временем комиссия Французской академии наук на основе более старых исследований рассчитала предварительное значение в 443,44 линии. Это значение было установлено законодательством от 7 апреля 1795 года.

В 1799 году комиссия, в которую входили Йохан Георг Траллес , Жан Анри ван Свинден , Адриен-Мари Лежандр и Жан-Батист Деламбр, рассчитала расстояние от Дюнкерка до Барселоны, используя данные триангуляции между этими двумя городами, и определила часть расстояния от Северный полюс до экватора, который он представлял. Измерения Пьера Мешена и Жана-Батиста Деламбра были объединены с результатами испанско-французской геодезической миссии и величиной 1/334 обнаружено за уплощение было Земли. Однако из более ранних оценок уплощения Земли французские астрономы знали, что разные дуги меридианов могут иметь разную длину и что их кривизна может быть неравномерной. Расстояние от Северного полюса до экватора было затем экстраполировано на основе измерений дуги парижского меридиана между Дюнкерком и Барселоной и определено как 5 130 740 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 стал известен окончательный результат, была выбрана полоса, длина которой была наиболее близка к меридиональному определению метра, и помещена в Национальный архив 22 июня 1799 года (4 мессидора An VII по республиканскому календарю) в качестве постоянной записи результата.

принятие метра в качестве научной единицы длины

Триангуляция возле Нью-Йорка , 1817 год.

В 1816 году Фердинанд Рудольф Хасслер был назначен первым суперинтендантом обследования побережья . Получив образование в области геодезии в Швейцарии, Франции и Германии , Хасслер в 1805 году привез в Соединенные Штаты эталонный измеритель, изготовленный в Париже. Он разработал базовый прибор, который вместо фактического контакта различных стержней во время измерений использовал только один стержень, калиброванный метр и оптический контакт. Таким образом, метр стал единицей длины в геодезии в Соединенных Штатах.

В 1830 году Хасслер стал главой Управления мер и весов, вошедшего в состав Обследования побережья. Он сравнил различные единицы длины, использовавшиеся в Соединенных Штатах, в то время и измерил коэффициенты расширения , чтобы оценить влияние температуры на измерения.

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 наблюдений геофизических явлений, таких как магнитное поле Земли, молнии и гравитация в разных точках земного шара, стимулировала создание первых международных научных ассоциаций. За основанием Magnetischer Verein последует создание Центральноевропейской организации по измерению дуги (нем. Mitteleuropaïsche Gradmessung ) по инициативе Иоганна Якоба Байера в 1863 году, а также создание Международной метеорологической организации , президент которой, швейцарский метеоролог и физик, Генрих фон Вильд будет представлять Россию в Международном комитете мер и весов. (ЦИПМ).

В 1834 году Хасслер измерил на Файер-Айленде первую базовую линию исследования 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 , что использовался для определения длины метра. Ошибки в методе вычисления длины парижского меридиана были учтены Бесселем, когда он предложил свой опорный эллипсоид . в 1841 году

Аппарат Ибаньеса, откалиброванный по метрическому испанскому стандарту и используемый в Аарберге , кантон Берн , Швейцария.

Египетская астрономия имеет древние корни, которые были возрождены в 19 веке благодаря модернистскому импульсу Мухаммеда Али , который основал в Сабтие, район Булак , в Каире обсерваторию, которую он стремился поддерживать в гармонии с прогрессом этой науки, которая все еще продолжается. В 1858 году была создана Техническая комиссия для продолжения, путем принятия процедур, установленных в Европе, кадастровой работы, начатой ​​при Мухаммеде Али. Эта комиссия предложила вице-королю Мохаммеду Саиду-паше идею покупки геодезических приборов, заказанных во Франции. В то время как Махмуд Ахмад Хамди аль-Фалаки отвечал в Египте за руководство работой над генеральной картой, вице-король поручил Исмаилу Мустафе аль-Фалаки исследование в Европе точного прибора, калиброванного по счетчику, предназначенного для измерения геодезических баз и уже построенных Жаном Бруннером в Париже. Исмаилу Мустафе было поручено провести эксперименты, необходимые для определения коэффициентов расширения двух платиновых и латунных слитков, а также сравнить египетский стандарт с известным стандартом. Испанский стандарт, разработанный Для этой цели были выбраны Карлос Ибаньес и Ибаньес де Иберо и Фрутос Сааведра Менесес , поскольку они послужили образцом для построения египетского стандарта. Кроме того, испанский стандарт сравнивался с двойным туазом № 1 Борды , который служил сравнительным модулем для измерения всех геодезических баз во Франции, а 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 курс главной меридиональной дуги обратно на землю, где Эратосфен основал геодезию .

Дуга меридиана Западной Европы и Африки : дуга меридиана, простирающаяся от Шетландских островов через Великобританию, Францию ​​и Испанию до Эль-Агуата в Алжире, параметры которой были рассчитаны на основе исследований, проведенных в середине-конце 19 века. Это дало значение экваториального радиуса Земли a = 6 377 935 метров, эллиптичность принята равной 1/299,15. Радиус кривизны этой дуги неоднороден: в среднем примерно на 600 метров больше в северной, чем в южной части. Гринвичский меридиан изображен Вместо парижского меридиана .

Через семнадцать лет после того, как Бессель вычислил свой отсчетный эллипсоид , некоторые из дуг меридианов, которые немецкий астроном использовал для своих расчетов, были увеличены. Это было очень важным обстоятельством, поскольку влияние ошибок из-за вертикальных отклонений было минимизировано пропорционально длине дуг меридианов: чем длиннее дуги меридианов, тем точнее изображение земного эллипсоида . будет После измерения геодезической дуги Струве в 1860-х годах по инициативе Карлоса Ибаньеса и Ибаньеса де Иберо, который стал первым президентом Международной геодезической ассоциации и Международного комитета мер и весов , было решено повторно измерить дугу меридиана. от Дюнкерка до Форментеры и продлить его от Шетландских островов до Сахары . Это не открыло путь к новому определению метра, поскольку было известно, что теоретическое определение метра было недоступно и вводило в заблуждение во времена дуговых измерений Деламбра и Мешена, поскольку геоид представляет собой шар, который в целом может быть уподоблен сплюснутому сфероиду , но который в деталях отличается от него так, что запрещает любое обобщение и любую экстраполяцию измерения одной дуги меридиана. В 1859 году Фридрих фон Шуберт продемонстрировал, что несколько меридианов имеют разную длину, подтвердив гипотезу Жана Ле Рона д'Аламбера . Он также предложил эллипсоид с тремя неравными осями. В 1860 году Эли Риттер, математик из Женевы , используя данные Шуберта, вычислил, что земной эллипсоид скорее мог бы быть сфероидом вращения в соответствии с Адриана-Мари Лежандра . моделью Однако в следующем году, возобновив свои расчеты на основе всех имевшихся на тот момент данных, Риттер пришел к выводу, что проблема была решена лишь приближенно, данные оказались слишком скудными, а для некоторых из них повлияли вертикальные отклонения. , в частности широта Монжуика на дуге французского меридиана, на определение которой также в меньшей степени повлияли систематические ошибки повторяющегося круга .

Определение длины метра в 1790-х годах было основано на измерениях дуги во Франции и Перу с определением, что он должен был составлять 1/40 миллионной окружности Земли, измеренной через полюса. Неточности того периода были таковы, что всего за несколько лет более надежные измерения дали бы другое значение для определения этого международного стандарта. Это ни в коей мере не делает прибор недействительным, но подчеркивает тот факт, что постоянное совершенствование приборов сделало возможным более точные измерения размеров Земли.

— Номинация ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ДУГИ СТРУВЕ на включение в СПИСОК ВСЕМИРНОГО НАСЛЕДИЯ, с. 40

Геодезическая дуга Струве

Было хорошо известно, что, измерив широту двух станций в Барселоне , Мешен обнаружил, что разница между этими широтами была больше, чем предсказывалось при прямом измерении расстояния методом триангуляции, и что он не осмелился признать эту неточность. Позже это было объяснено зазором в центральной оси повторяющегося круга, вызывающим износ, и, следовательно, измерения зенита содержали значительные систематические ошибки. Движение полюсов , предсказанное Леонардом Эйлером и позднее открытое Сетом Карло Чендлером, также оказало влияние на точность определения широт. Среди всех этих источников ошибок главным образом было неблагоприятное вертикальное отклонение Барселоны , которое давало неточное определение широты и метр «слишком короткий» по сравнению с более общим определением, взятым из среднего значения большого количества дуг.

Еще в 1861 году Иоганн Якоб Байер направил королю Пруссии меморандум , в котором рекомендовал международное сотрудничество в Центральной Европе с целью определения формы и размеров Земли. На момент создания в объединение входило 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 ), Соединённые королевства Швеции и Норвегии , а также Швейцария . Компания Central European Arc Measurement создала центральный офис, расположенный в Прусском геодезическом институте, руководство которым было поручено Иоганну Якобу Байеру.

Целью Байера было новое определение аномалий формы Земли с использованием точных триангуляций в сочетании с гравитационными измерениями. Это включало определение геоида посредством гравиметрических и нивелирных измерений, чтобы получить точные знания о земном сфероиде с учетом местных изменений. Для решения этой проблемы необходимо было тщательно изучить значительные площади суши 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 Милеево 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, сравнить кривизну дуг меридианов 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 наибольший интерес, исследований, которые каждое государство, взятое в отдельности, не было в состоянии провести.

Испания и Португалия присоединились к Европейским дуговым измерениям в 1866 году. Французская империя долго колебалась, прежде чем уступить требованиям Ассоциации, которая просила французских геодезистов принять участие в ее работе. Только после франко-прусской войны Шарль -Эжен Делоне представлял Францию конгрессе ​​на Венском в 1871 году. В 1874 году Эрве Фэй был назначен членом Постоянной комиссии, под председательством Карлоса Ибаньеса и Ибаньеса де Иберо.

Международная геодезическая ассоциация приобрела мировое значение с присоединением Чили , Мексики и Японии в 1888 году; Аргентина и США в 1889 году; и Британская империя в 1898 году. Срок действия съезда Международной геодезической ассоциации истек в конце 1916 года. Он не был продлен из-за Первой мировой войны . Однако деятельность Международной службы широт продолжалась через Geodesique reduite entre États neutre благодаря усилиям Х. Г. ван де Санде Бакюйзена и Рауля Готье (1854–1931), директоров Лейденской и Женевской обсерваторий соответственно .

линейки

Крупный план национального прототипа метра № 27, сделанного в 1889 году Международным бюро мер и весов (BIPM) в сотрудничестве с Джонсоном Мэтти и переданного Соединенным Штатам, который служил стандартом для американской картографии с 1890 года, заменив счетчик Комитета. , подлинная копия Mètre des Archives , выпущенная в 1799 году в Париже, которую Фердинанд Рудольф Хасслер привез в Соединенные Штаты в 1805 году.

После Французской революции привели наполеоновские войны к принятию метра в Латинской Америке после независимости Бразилией обретения и латиноамериканской Америкой , в то время как Американская революция побудила к основанию Обследования побережья в 1807 году и созданию Управления стандартных весов и весов. Меры 1830 года. В континентальной Европе наполеоновские войны способствовали развитию немецкого национализма, 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 посредством измерения Европейской дуги, но ее подавляющее влияние было смягчено влиянием нейтральных государств. В то время как немецкий астроном Вильгельм Юлиус Ферстер , директор Берлинской обсерватории и директор Немецкой службы мер и весов, бойкотировал Постоянный комитет Международной измерительной комиссии вместе с российскими и австрийскими представителями, чтобы способствовать созданию постоянной Международное бюро мер и весов , родившийся в Германии, швейцарский астроном Адольф Хирш согласился с мнением Италии и Испании о создании, несмотря на сопротивление Франции, Международного бюро мер и весов во Франции в качестве постоянного учреждения в ущерб Национальная консерватория искусств и ремесел .

В то время единицы измерения определялись первичными стандартами уникальные изделия, изготовленные из разных сплавов с разными коэффициентами расширения , а правовой основой единиц длины были . Линейка из кованого железа, Туаз Перу, также называемая Туаз де л'Академия , была основным французским эталоном туаза, а размер официально определялся артефактом из платины, хранящимся в Национальном архиве. Помимо последнего, еще один платиновый и двенадцать железных эталонов метра были изготовлены Этьеном Ленуаром в 1799 году. Один из них стал известен в Соединенных Штатах как « метр Комитета» служил эталоном длины в Береговой службе США. и до 1890 года для геодезистов эти стандарты были вторичными стандартами, выведенными из Туаза Перу. В Европе, за исключением Испании, геодезисты продолжали использовать измерительные приборы, откалиброванные по Туазу в Перу. Среди них туаз Бесселя и аппарат Борда были соответственно основными справочниками по геодезии в Пруссии. и во Франции . Эти измерительные устройства состояли из биметаллических линеек из платины и латуни или железа и цинка, скрепленных вместе на одном конце для оценки изменений длины, вызванных любым изменением температуры. Комбинация двух стержней из двух разных металлов позволила учесть тепловое расширение без измерения температуры. Французский производитель научных инструментов Жан Николя Фортен сделал три прямые копии Перуанского Туаза: одну для Фридриха Георга Вильгельма фон Струве , вторую для Генриха Кристиана Шумахера в 1821 году и третью для Фридриха Бесселя в 1823 году. В 1831 году Анри -Пруденс Гамби также реализовала копию Туаза Перу, которая хранилась в обсерватории Альтона .

Исторические голландские копии метрических стандартов из коллекции Рейксмузеума в Амстердаме: железный метр с футляром, построенный Этьеном Ленуаром в 1799 году, медный могильный килограмм с футляром (1798 г.), медные меры объема (1829 г.)

Во второй половине XIX века создание Международной геодезической ассоциации ознаменовало принятие новых научных методов. Тогда стало возможным точно измерять параллельные дуги, поскольку разницу в долготе между их концами можно было определить благодаря изобретению электрического телеграфа . Более того, достижения 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 необходимо было определить единую единицу для выражения всех измерений земных дуг и всех определений ускорения свободного падения с помощью маятника.

В 1866 году наиболее серьезной проблемой было то, что Туаз Перу, эталон туаза, построенного 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 вызывало особую тревогу, потому что, когда основной эталон Императорского двора был частично уничтожен в 1834 году, новый эталон был построен с использованием копии «Стандартного двора 1760 года» вместо длины маятника, как это предусмотрено Законом о мерах и весах 1824 года, поскольку маятниковый метод оказался ненадежным. Тем не менее, Фердинандом Рудольфом Хасслером использование метра и создание Управления стандартных весов и мер в качестве подразделения Береговой службы способствовало введению Закона о метрической системе 1866 года, разрешающего использование метра в Соединенных Штатах, и предшествовал выбору метра в качестве международной научной единицы длины и предложению European Arc Measurement (нем. Europäische Gradmessung ) с целью создания «Европейского международного бюро мер и весов».

Создание метрового сплава в 1874 году в Консерватории искусств и ремесел. Присутствуют Анри Треска, Джордж Матти, Сен-Клер Девиль и Дебре.

В 1867 году на второй Генеральной конференции Международной ассоциации геодезии, проходившей в Берлине, обсуждался вопрос о международной стандартной единице длины, позволяющей объединить измерения, произведенные в разных странах, для определения размеров и формы Земли. Согласно предварительному предложению, сделанному в Невшателе годом ранее, Генеральная конференция рекомендовала принять метр вместо туаза Бесселя, создать Международную метровую комиссию и основать Всемирный институт для сравнения геодезических эталонов. , первый шаг на пути к созданию Международного бюро мер и весов .

Метрологические и геодезические работы Хасслера также имели положительный отклик в России. 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 , теорема которого долгое время подтверждала предположение об эллипсоиде с тремя неравными осями для фигуры. Земли, предложив своему французскому коллеге предпринять совместные действия для обеспечения универсального использования метрической системы во всех научных работах.

В 1870-х годах, в свете современной точности, была проведена серия международных конференций по разработке новых метрических стандартов. Когда вспыхнул конфликт по поводу присутствия примесей в метровом сплаве 1874 года, член Подготовительного комитета с 1870 года и представитель Испании на Парижской конференции 1875 года Карлос Ибаньес и Ибаньес де Иберо вмешался во Французскую академию наук, чтобы сплотить Францию ​​к проекту создания Международного бюро мер и весов, оснащенного научными средствами, необходимыми для переопределения единиц метрической системы в соответствии с прогрессом науки.

Метрическая конвенция ( Convention du Mètre ) 1875 года поручила создать постоянное Международное бюро мер и весов (BIPM: Bureau International des Poids et Mesures ), которое будет располагаться в Севре , Франция. Эта новая организация должна была построить и сохранить прототип измерительной линейки, распространять национальные метрические прототипы и проводить сравнения между ними и неметрическими эталонами измерений. Организация распространяла такие слитки 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 стандартном слитке, состоящем из сплава на 90% платины. и 10% иридия , измеренное при температуре плавления льда.

Метрология и смена

Базовый аппарат с инваровой проволокой

Сравнение новых прототипов счетчика друг с другом предполагало разработку специального измерительного оборудования и определение воспроизводимой температурной шкалы. Работы BIPM по термометрии привели к открытию специальных сплавов железо-никель, в частности инвара , практически незначительный коэффициент расширения которого позволил разработать более простые методы измерения базовой линии, и для которых его директор, швейцарский физик Шарль-Эдуард Гийом , был удостоен Нобелевской премии по физике в 1920 году. Нобелевская премия Гийома ознаменовала конец эпохи, когда метрология уходила из области геодезии и становилась технологическим применением физики .

В 1921 году Нобелевская премия по физике была присуждена другому швейцарскому учёному, Альберту Эйнштейну , который после эксперимента Майкельсона-Морли поставил под сомнение существование светоносного эфира в 1905 году, точно так же, как Ньютон поставил под сомнение теорию вихрей Декарта в 1687 году после эксперимента Жана Рише с маятником. в Кайенне , Французская Гвиана .

Более того, специальная теория относительности изменила представления о времени и массе , а общая теория относительности изменила представления о пространстве . По мнению Ньютона, пространство было евклидовым , бесконечным и без границ, а тела тяготели друг к другу, не меняя структуры пространства. Теория гравитации Эйнштейна , напротив, утверждает, что масса тела влияет на все другие тела, изменяя при этом структуру пространства. Массивное тело вызывает искривление пространства вокруг себя, в котором путь света искривляется, о чем свидетельствует смещение положения звезды, наблюдавшееся вблизи Солнца во время затмения в 1919 году.

Определение

В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл предложил использовать свет, излучаемый элементом, в качестве стандарта как для единицы длины, так и для секунды. Эти две величины затем можно было бы использовать для определения единицы массы. О единице длины он писал:

При нынешнем состоянии науки наиболее универсальным стандартом длины, который мы могли бы принять, была бы длина волны в вакууме определенного вида света, излучаемого каким-либо широко рассеянным веществом, таким как натрий, который имеет четко определенные линии в своем спектре. Такой стандарт будет независим от любых 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, Vol. 1, с. 3

Работа Чарльза Сандерса Пирса способствовала выходу американской науки на передний план глобальной метрологии. Помимо взаимных сравнений артефактов метра и вклада в гравиметрию путем 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, определяемой линией в солнечном спектре . Альберт Майкельсон вскоре подхватил эту идею и усовершенствовал ее.

В 1893 году стандартный метр был впервые измерен с помощью интерферометра Альбертом А. Майкельсоном , изобретателем устройства и сторонником использования определенной длины волны в света качестве стандарта длины. К 1925 году интерферометрия уже регулярно использовалась в МБМВ. Однако Международный прототип метра оставался стандартом до 1960 года, когда одиннадцатая ГКМВ определила метр в новой Международной системе единиц (СИ) как равный 1 650 763,73 . длины волны оранжево красной - излучения линии в спектре электромагнитном Атом криптона- 86 в вакууме .

Определение скорости света

Чтобы еще больше уменьшить неопределенность, 17-я ГКМВ в 1983 году заменила определение метра его нынешним определением, таким образом зафиксировав длину метра в секундах и скорость света :

Метр — это длина пути, пройденного светом в вакууме за интервал 792 времени 458 секунды 1/299 .

Это определение установило скорость света в вакууме ровно на уровне 299 792 458 метров в секунду. (≈ 300 000 км/с или ≈1,079 миллиарда км/час ). Предполагаемым побочным продуктом определения 17-го CGPM было то, что оно позволило ученым точно сравнивать лазеры по частоте, что приводило к получению длин волн с одной пятой неопределенностью, возникающей при прямом сравнении длин волн, поскольку были устранены ошибки интерферометра. Чтобы еще больше облегчить воспроизводимость результатов из лаборатории в лабораторию, 17-я ГКМВ также сделала стабилизированный йодом гелий-неоновый лазер «рекомендуемым излучением» для создания счетчика. В целях определения метра BIPM в настоящее время считает длину волны HeNe-лазера λ _HeNe равной 632,991 212 58 нм с расчетной относительной стандартной неопределенностью ( U ) 2,1 × 10. ⁻¹¹ .

Эта неопределенность в настоящее время является одним из ограничивающих факторов в лабораторных реализациях счетчика, и она на несколько порядков хуже, чем у второго, основанного на атомных часах с цезиевым фонтаном ( U = 5 × 10 ⁻¹⁶ ). Следовательно, сегодня в лабораториях реализация измерителя обычно описывается (не определяется) как 1 579 800 ,762 042 (33) длины волны света гелий-неонового лазера в вакууме, при этом заявленная ошибка касается только определения частоты. Это обозначение скобок, выражающее погрешность, объясняется в статье о неопределенности измерения .

Практическая реализация измерителя подвержена неопределенностям в характеристиках среды, различным неопределенностям интерферометрии и неопределенностям в измерении частоты источника. 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. По описанию NIST, в воздухе неопределенности в характеристиках среды обусловлены ошибками измерения температуры и давления. Ошибки в используемых теоретических формулах вторичны.

Используя подобную коррекцию показателя преломления, приблизительную реализацию измерителя можно реализовать в воздухе, например, используя формулу измерителя как 1 579 800 ,762 042 (33) длины волны света гелий-неонового лазера в вакууме. и преобразование длин волн в вакууме в длины волн в воздухе. Воздух является лишь одной из возможных сред, которые можно использовать при реализации измерителя, и можно использовать любой частичный вакуум или некоторую инертную атмосферу, такую ​​​​как газообразный гелий, при условии, что внесены соответствующие поправки на показатель преломления.

Метр определяется как длина пути, пройденного светом за заданное время, а практические лабораторные измерения длины в метрах определяются путем подсчета количества длин волн лазерного света одного из стандартных типов, которые вписываются в эту длину. и преобразование выбранной единицы длины волны в метры. Три основных фактора ограничивают точность, достижимую с помощью лазерных интерферометров для измерения длины:

• неопределенность в вакуумной длине волны источника,
• неопределенность в показателе преломления среды,
• наименьшее счетное разрешение интерферометра.

Из них последнее свойственно самому интерферометру. Преобразование длины в длинах волн в длину в метрах основано на соотношении

$\lambda ={\frac {c}{nf}},$

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 — измеряемая частота источника. Хотя преобразование длин волн в метры вносит дополнительную ошибку в общую длину из-за ошибки измерения при определении показателя преломления и частоты, измерение частоты является одним из наиболее точных доступных измерений.

В 2002 году CIPM выпустил разъяснение:

Поэтому его определение применимо только в пределах достаточно малого пространственного размера, чтобы можно было пренебречь эффектами неоднородности гравитационного поля (заметим, что на поверхности Земли этот эффект в вертикальном направлении составляет около 1 части в 10 ¹⁶ за метр). В этом случае следует учитывать только эффекты специальной теории относительности.

Хронология

Дата	Решающий орган	Решение
8 мая 1790 г.	Национальное собрание Франции	Длина нового метра должна быть равна длине маятника полупериодом с в одну секунду .
30 марта 1791 г.	Национальное собрание Франции	Принимает предложение Французской академии наук о том, чтобы новое определение метра было равно одной десятимиллионной длине квадранта большого круга вдоль Земли меридиана , проходящего через Париж, то есть расстоянию от экватора до северного полюса вдоль этот квадрант.
1795	Предварительная метровая полоса, изготовленная из латуни и основанная на дуге Парижского меридан (французский: Méridienne de France ), измеренная Николя-Луи де Лакайем и Сезаром-Франсуа Кассини де Тюри , юридически равна 443,44 линиям туаза дю Перу (стандартная французская единица измерения длины). длина с 1766 г.). [Линия составляла 1/864 туаза . ]
10 декабря 1799 г.	Национальное собрание Франции	Указывает платиновый метр, представленный 22 июня 1799 года и хранящийся в Национальном архиве , в качестве окончательного стандарта. Юридически равен 443 296 строкам на Туаз дю Перу .
24–28 сентября 1889 г.	1-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM)	Определяет метр как расстояние между двумя линиями на стандартном стержне из сплава платины с 10% иридия , измеренное при температуре плавления льда.
27 сентября - 6 октября 1927 г.	7-я ГКМВ	По-новому определяет метр как расстояние при 0 ° C (273 K ) между осями двух центральных линий, отмеченных на прототипе платино-иридиевого стержня, причем этот стержень подвергается давлению в одну стандартную атмосферу и поддерживается двумя цилиндрами из диаметром не менее 10 мм (1 см), симметрично расположенные в одной горизонтальной плоскости на расстоянии 571 мм (57,1 см) друг от друга.
14 октября 1960 г.	11-я ГКМВ	Определяет метр как 1 650 763 , 73 длины волны в вакууме излучения , соответствующего переходу между 2p 10 и 5д 5 квантовые уровни атома - 86 криптона .
21 октября 1983 г.	17-я ГКМВ	Определяет метр как длину пути, пройденного светом в вакууме за интервал времени 1/299 ​ 458 секунды 792 .
2002	Международный комитет мер и весов (CIPM)	Считает метр единицей правильной длины и поэтому рекомендует ограничить это определение «длинами ℓ, которые достаточно малы, чтобы эффекты, предсказанные общей теорией относительности , были незначительными с учетом неопределенностей реализации».

Определения метра с 1795 года.

Основа определения	Дата	Абсолютный неопределенность	Родственник неопределенность
1/10 000 ( 443,296 000 часть квадранта меридиана вдоль , измерение Деламбра и Мешена линий)	1795	500–100 мкм	10 −4
Первый прототип Архив метра стандартного платинового слитка	1799	50–10 мкм	10 −5
Платино-иридиевый слиток при температуре плавления льда (1-й CGPM )	1889	0,2–0,1 мкм	10 −7
Платиново-иридиевый слиток при температуре плавления льда, атмосферном давлении, поддерживаемый двумя роликами (7-й ГКМВ).	1927	нет	нет
Сверхтонкий атомный переход; 1 650 763,73 длины волны света от указанного перехода в криптоне-86 (11-я CGPM)	1960	4 нм	4 × 10 −9
Длина пути, проходимого светом в вакууме в 1/299 792 (17- я 458 секунды CGPM)	1983	0,1 нм	10 −10

внедрение счетчика на

Основная статья: Метрика

Во Франции метр был принят в качестве исключительной меры в 1801 году при Консульстве . Это продолжалось во времена Первой Французской империи до 1812 года, когда Наполеон издал указ о введении недесятичных мер usuelles , которые использовались во Франции до 1840 года во время правления Луи-Филиппа . Тем временем счетчик был принят на вооружение Женевской республикой. После присоединения кантона Женева к Швейцарии в 1815 году Гийом Анри Дюфур опубликовал первую официальную карту Швейцарии, на которой в качестве единицы длины был принят метр.

Даты принятия по странам

• Франция : 1801–1812 гг., затем 1840 г.
• Женевская республика , Швейцария: 1813 г.
• Королевство Нидерландов : 1820 г.
• Королевство Бельгия : 1830 г.
• Чили : 1848 г.
• Королевство Сардиния , Италия: 1850 г.
• Испания : 1852 г.
• Португалия : 1852 г.
• Колумбия : 1853 г.
• Эквадор : 1856 г.
• Мексика : 1857 г.
• Бразилия : 1862 г.
• Аргентина : 1863 г.
• Италия : 1863 г.
• США : 1866 г.
• Германская империя , Германия : 1872 г.
• Австрия , 1875 г.
• Швейцария : 1877 г.

Формы метра с префиксом СИ

Основная статья: Порядки величины (длина)

Префиксы SI могут использоваться для обозначения десятичных кратных и долей 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 кратных единицах; «30 см», «30 м» и «300 м» встречаются чаще, чем «3 дм», «3 плотины» и «3 гм» соответственно.

Термины микрон и миллимикрон использовались вместо микрометра (мкм) и нанометра (нм) соответственно, но такая практика не рекомендуется.

SI кратные метру (м)

Дробные			Множители
Ценить	символ СИ	Имя	Ценить	символ СИ	Имя
10 −1 м	дм	дециметр	10 1 м	плотина	декаметр
10 −2 м	см	сантиметр	10 2 м	хм	гектометр
10 −3 м	мм	миллиметр	10 3 м	км	километр
10 −6 м	мкм	микрометр	10 6 м	Мм	мегаметр
10 −9 м	нм	нанометр	10 9 м	Гм	гигаметр
10 −12 м	вечера	пикометр	10 12 м	Тм	тераметр
10 −15 м	фм	фемтометры	10 15 м	Вечера	петаметр
10 −18 м	являюсь	Аттометр	10 18 м	В	экзамен
10 −21 м	умер	зептометр	10 21 м	Умер	зеттаметр
10 −24 м	в	йоктометр	10 24 м	Хм	йоттаметр
10 −27 м	РМ	ронтометры	10 27 м	Рм	роннаметр
10 −30 м	кв.м.	квектометр	10 30 м	Км	кветтаметр

Эквиваленты в других единицах

Метрическая единица измерения выражается в единицах, не относящихся к системе СИ					Единица измерения, не относящаяся к системе СИ выраженный в метрических единицах
1 метр	≈	1.0936	площадка		1 ярд	=	0.9144	метр
1 метр	≈	39.370	дюймы		1 дюйм	=	0.0254	метр
1 сантиметр	≈	0.393 70	дюйм		1 дюйм	=	2.54	сантиметры
1 миллиметр	≈	0.039 370	дюйм		1 дюйм	=	25.4	миллиметры
1 метр	=	10 10	ангстрем		1 ангстрем	=	10 −10	метр
1 нанометр	=	10	ангстрем		1 ангстрем	=	100	пикометры

В этой таблице слова «дюйм» и «ярд» означают «международный дюйм» и «международный ярд». соответственно, хотя приблизительные преобразования в левом столбце справедливы как для международных, так и для обследованных единиц.

«≈» означает «примерно равно»;

"=" означает "точно равно".

Один метр в точности равен 5 000/127 дюймов и   до 1 250/1 143 ярда   .

Простая мнемоника , помогающая конвертировать, — «три тройки»: 1 метр почти эквивалентен 3   футам. 3 + 3/8 ​ дюйма   . Это дает завышение на 0,125   мм.

Древнеегипетский локоть составлял около 0,5   м (сохранившиеся стержни — 523–529   мм). Шотландское и английское определения элля ( два локтя) составляли 941   мм (0,941   м) и 1143   мм (1,143   м) соответственно. Древний парижский туаз (сажень) был немного короче 2   м и был стандартизирован ровно на 2   м в системе mesures usuelles , так что 1   м был ровно 2 м. 1 ⁄ 2  toise. Русская верста составляла 1,0668   км. Шведский мил составлял 10,688   км, но был изменен на 10   км, когда Швеция перешла на метрические единицы.

См. также

• ISO 1 – стандартная эталонная температура для измерения длины
• Метрический префикс
• Вертикальная позиция

Ссылки

• Олдер, Кен (2002). Мера всех вещей: Семилетняя одиссея и скрытая ошибка, изменившая мир . Нью-Йорк: Свободная пресса. ISBN  978-0-7432-1675-3 .
• Эстин, А.В. и Каро, Х. Арнольд, (1959), Уточнение значений ярда и фунта , Вашингтон, округ Колумбия: Национальное бюро стандартов, переиздано на веб-сайте Национальной геодезической службы и Федеральном реестре (док. 59–5442, Подано 30 июня 1959 г.)
• Джадсон, Льюис В. (1 октября 1976 г.) [1963]. Барброу, Луи Э. (ред.). Стандарты мер и весов США, краткая история . Взято из предыдущей работы Луи А. Фишера (1905). США: Министерство торговли США , Национальное бюро стандартов . дои : 10.6028/NBS.SP.447 . ЛЦН   76-600055 . Специальная публикация NBS 447; НИСТ СП 447; 003-003-01654-3.
• Бигурдан, Гийом (1901). Метрическая система мер и весов; ее возникновение и постепенное распространение, с историей операций, служивших для определения метра и килограмма [ Метрическая система мер и весов; его создание и постепенное распространение, с историей операций, служивших для определения метра и килограмма ]. Париж: Готье-Виллар.
• Кларк, Александр Росс ; Гельмерт, Фридрих Роберт (1911b). «Земля, Фигура» . В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . Том. 8 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 801–813.
• Гедж, Денис (2001). La Mesure du Monde (« Мера мира »). Перевод Голдхаммера, ст. Чикаго: Издательство Чикагского университета.
• Кардарелли, Франсуа (2003). «Глава 2: Международная система единиц» (PDF) . Энциклопедия научных единиц, весов и мер: их эквиваленты в системе СИ и происхождение . Спрингер-Верлаг Лондон Лимитед. Таблица 2.1, с. 5. ISBN  978-1-85233-682-0 . Проверено 26 января 2017 г. Данные Джакомо П. Du platine à la lumière [От платины к свету], Bull. Бур. Нат. Метрология , 102 (1995) 5–14.
• Кардарелли, Ф. (2004). Энциклопедия научных единиц, весов и мер: их эквиваленты и происхождение в системе СИ (2-е изд.). Спрингер. стр. 120–124 . ISBN  1-85233-682-Х .
• Исторический контекст СИ: Метр . Проверено 26 мая 2010 г.
• Национальный институт стандартов и технологий. (27 июня 2011 г.). Атомные часы с цезиевым фонтаном NIST-F1 . Автор.
• Национальная физическая лаборатория. (25 марта 2010 г.). Йодостабилизированные лазеры . Автор.
• «Сохранение единицы длины СИ» . Национальный исследовательский совет Канады. 5 февраля 2010 г. Архивировано из оригинала 4 декабря 2011 г.
• Республика Филиппины. (2 декабря 1978 г.). Батас Памбанса корп. 8: Закон, определяющий метрическую систему и ее единицы, обеспечивающий ее применение и другие цели . Автор.
• Республика Филиппины. (10 октября 1991 г.). Республиканский закон № 7160: Кодекс местного самоуправления Филиппин . Автор.
• Верховный суд Филиппин (второй отдел). (20 января 2010 г.). ГР № 185240 . Автор.
• Тейлор Б.Н. и Томпсон А. (ред.). (2008а). Международная система единиц (СИ) . Американская версия английского текста восьмого издания (2006 г.) публикации Международного бюро мер и весов Le Système International d' Unités (SI) (Специальная публикация 330). Гейтерсбург, Мэриленд: Национальный институт стандартов и технологий. Проверено 18 августа 2008 г.
• Тейлор Б.Н. и Томпсон А. (2008b). Руководство по использованию международной системы единиц (специальная публикация 811). Гейтерсбург, Мэриленд: Национальный институт стандартов и технологий. Проверено 23 августа 2008 г.
• Тернер Дж. (заместитель директора Национального института стандартов и технологий). (16 мая 2008 г.). «Интерпретация Международной системы единиц (метрической системы измерения) для США» . Федеральный реестр Том. 73, № 96, с.   28432–28433.
• Загар, Б.Г. (1999). Датчики смещения лазерного интерферометра в JG Webster (ред.). Справочник по измерениям, приборам и датчикам . ЦРК Пресс. ISBN   0-8493-8347-1 .