Метр

Масштабы мизерного

The metre // National Physical Laboratory [5:59]

Метр — единица длины в Международной системе единиц СИ и других метрических системах единиц. Сокращенно метр обозначается малой буквой м.

По определению, принятой Резолюцией 1 XVII Генеральной конференции по мерам и весам в 1983 году:

1 метр равен длине пути, который проходит в вакууме свет за 1/299 792 458 долю секунды.

Такое определение было принято, исходя из тех соображений, что скорость света является фундаментальной физической константой, которая должна быть определена точно, без погрешности. Ее значение было зафиксировано на величине 299792458 м/c.

Для метра такое определение означает, что его значение должно быть определено экспериментально. При этом возникает некоторая погрешность. Для практических целей в лабораториях метр сравнивают с длиной волны определенного излучения.

Метр — одна из семи основных единиц Международной системы. Через него определяются многие производные единицы. Поскольку точность любых измерений не может быть выше, чем точность определения единицы, разработка методов точного воспроизведения метра имеет важное значение для развития науки и техники.

История

До Великой французской революции почти каждая страна имела свои единицы измерения длины. Часто система таких единиц была запутанной, сложной для сравнения. Идеи установления десятичной системы для единиц измерения высказывалась еще в 17 в., Однако путь к ее практическому воплощению открыли только революционные события во Франции.

Идея секундного маятника

Развитие науки в 17 в. требовал универсальной единицы измерения, в основе определения которой лежало бы физическое явление. Итальянец Тито Ливио Бураттини предложил назвать такую единицу metro cattolico, что в переводе с итальянского означает универсальная мера.

Англичанин Джон Уилкинс предложил выбрать в качестве такой единицы длину маятника, половина периода колебания которого равнялась бы одной секунде. Такой маятник продемонстрировал Христиан Гюйгенс. Длина этого маятника близка современному определению метра. Однако, вскоре выяснилось, что длина секундного маятника зависит от места на Земле: французский астроном Жан Ришер установил, что она отличается в Париже и в Кайенне, Французская Гвиана на 0,3 %.

Талейран воскресил идею секундного маятника перед Учредительным собранием 1790 года, предложив зафиксировать измерения 45° северной широты, однако идея не прижилась.

Сравнение с парижским меридианом

Французская академия наук приняла альтернативное определение метра, как длины одной десятимиллионной части от четверти парижского меридиана, что, по мнению ученых, делало эту единицу длины «естественной», то есть взятой непосредственно из природы мере.

Вопрос о реформе системы мер было поручено комиссии Академии наук, которую возглавлял Жан-Шарль де Борда, в состав которой входили такие выдающиеся ученые как Жозеф Луи Лагранж, Пьер-Симон Лаплас, Гаспар Монж, Николя Кондорсе. Де Борда был заядлым энтузиастом десятичной системы. Идея маятникового стандарта ему не понравилась потому, что секунда недостаточно десятичная единица.

Выбор парижского меридиана был практически целесообразным, поскольку позволял наблюдения на 1000 км расстояния от Дюнкерка до Барселоны. Задачу измерения длины дуги меридиана была поручена Пьеру Мешену и Жану-Батисту Деламбру. На ее выполнение ушло шесть лет, с 1792 по 1798 годы. Причиной задержек были не только технические трудности, но и беспокойство революционных времен. Одновременно комиссия вычислила значение метра из старых данных. Расхождение между новыми и старыми данными составило 0,03 %.

Платиновый эталон

Исходя из теоретического определения и результатов измерений части дуги парижского меридиана 1799 было изготовлено эталон метра в виде платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм и длиной 1 м. Этот эталон получил название «метр архива», поскольку он был передан на хранение национальному архиву Франции.

Точные измерения Франсуа Араго и Жана-Батиста Био в начале 19 в. привели к тому, что эталон не совсем точно соответствует определению метра через длину меридиана. Несмотря на расхождение, метр архива остался практическим стандартом. Когда в 1867 году возникла идея восстановлення международной системы мер, именно эталон архива был взят за единицу длины.

Метрическая конвенция 1875 года утвердила метр в качестве международной единицы, внеся изменение в эталон. Метр теперь определялся как расстояние между двумя штрихами на платиновой линейке, а не длиной линейки. Это изменение предотвращало изменения эталона в результате износа.

Такой штриховой эталон метра и соответствующее определение самой единицы с несущественными изменениями просуществовали до октября 1960 года. Использование штрихового эталона метра имеет два основных метрологических недостатки: во-первых, утрачивается естественная мера метра и, во-вторых, штриховая мера не может обеспечить необходимую точность его воспроизведения.

Криптоновый стандарт

Развитие науки в 20 в. создало потребность и возможность точного определения метра. В частности, прецизионность спектроскопических инструментов стала достаточной для определения единицы длины через длину волны света.

XI Генеральная конференция мер и весов 1960 года приняла следующее определение метра:

Метр равен длине 1650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p¹⁰ та 5d⁵ атома криптона-86.

Практически это означает использование для измерения расстояний и длин интерферометров, которые могут воспроизвести незначительные различия в длине в четкие интерференционные максимумы и минимумы.

Световой эталон метра вернул метра характер естественной меры и, как показали дальнейшие исследования, повысил точность его воспроизведения в 100 раз, что имело очень важное значение для современного приборостроения и точного машиностроения. С помощью светового эталона можно обеспечить точность воспроизведения метра менее 10⁻⁹ (вместо 10⁻⁷ с помощью штриховой меры).

Стандарт 1983 года

Наконец, в 1983 году XVII Генеральная конференция мер и весов сочла нужным ввести новое определение метра, основанное на значении фундаментальной постоянной — скорости света в вакууме и действует до сих пор.

Введение нового, простого определения метра упрощает понимание физического смысла, это определение удобно для учебных целей, но для воспроизведения размера метра, создание его эталона целесообразно и сейчас используется определение, принятое XI Генеральной конференции мер и весов.

Определено через скорость света значение метра может быть воспроизведено в любой лаборатории мира. Для облегчения воспроизводимости точности измерения и совместимости результатов, полученных в разных лабораториях, XVII Генеральная конференция мер и весов «рекомендовала» использовать стабилизированный йодом гелий-неоновый лазер. Международное бюро мер и весов определяет длину волны HeNe лазера как 632991 212.58 фм с относительной стандартной погрешностью.

Прогресс современной науки и техники требует дальнейшего совершенствования эталонов длины. Такие возможности в принципе существуют. В частности, например, исследуются возможности применения новейших достижений физики в изучении атомных пучков, оптических квантовых генераторов, эффекта Мёссбауэра и т. д. для создания новых, более точных эталонов длины.