Метрология: как появилась система СИ
Обсудить 0
Практика измерений почти так же стара, как человеческая история. Экономика, основанная на общественном разделении труда и торговле, без измерений существовать не может. Уже первые великие цивилизации Месопотамии, Египта, Индостана и Китая нуждались в создании общепринятых и надежных способов определения расстояний, земельных площадей, веса (или объема) зерна и металлов. Замечательно полная (для своего времени) система мер была создана в Древнем Вавилоне, откуда при посредстве финикийских купцов и мореплавателей распространилась по всему Средиземноморью.
Все можно измерить
Для измерений необходимы опорные метки — меры. Чтобы стать общепринятыми, они должны быть простыми, понятными и общедоступными. Поэтому сначала появились «естественные» меры, которые можно было воспроизвести в любом месте и в любое время. Исторически эти единицы прежде всего связывались с какими-то свойствами растений, животных и людей. Так, в древности во многих местах существовала мера земельной площади, которую называли «бычий рев». Она соответствовала размерам участка, в пределах которого этот звук отчетливо слышен. Знаменитый и все еще употребляемый английский дюйм первоначально определялся как длина трех пшеничных зерен, взятых из середины колоса. Были меры и посложнее: например, тысячи лет назад в Китае единицей длины служила полая бамбуковая палочка, которая при свистке издавала определенный тон.
С развитием ремесел и торговли появились и специально изготовленные единицы — линейки, мерные емкости, гири. Их введение обычно сопровождалось соглашениями, а то и приказами. Скажем, французский туаз — это изначально «шесть королевских шагов». Потом изготовлялись стабильные прототипы мер, которые могли отличаться друг от друга (французский туаз примерно на 15 см длиннее швейцарского). Естественно, в итоге получался сильный разнобой. В конце XVIII века в странах Европы использовали 391 весовую единицу, называемую фунтом, и 282 единицы длины, проходившие как фут. В одном только Баденском герцогстве насчитывалось 112 разных версий другой единицы длины — локтя.
Возвращение к естественным единицам
«Такова основная тенденция в метрологии в настоящее время — пояснил «Популярной механике» Барри Тейлор, много лет возглавлявший Центр фундаментальных констант Физической лаборатории NIST, а сейчас представляющий свой институт в расположенном в Париже международном Консультативном комитете по единицам измерений (Comité Consultatif des Unités). — Сейчас метрологи для реализации эталонов основных единиц стараются полагаться на фундаментальные физические константы. Это, во‑первых, обеспечивает максимальную точность измерений, а во-вторых, позволяет с равной надежностью воспроизводить эталонные единицы в любой лаборатории, располагающей нужным оборудованием». Новая стратегия была официально утверждена в октябре 2005 года на 94-й сессии Международного комитета мер и весов, который рекомендовал переопределить таким образом эталоны килограмма, ампера, кельвина и моля. Любопытно, что ее можно рассматривать как возвращение (на более высоком уровне, конечно) к древнему методу использования естественных единиц. Воистину, познание развивается по спирали!
Уже в XVII веке, когда в Европе зародились точные науки, многие ученые понимали, что огромное разнообразие мер тормозит экономический и технический прогресс. Тогда же стали предлагать конкретные способы ликвидации этого хаоса. Однако никто не мог предвидеть, сколько усилия и времени понадобится для решения этой задачи. Первым практическим шагом на пути к желанной цели стало создание метрической системы.
Парижские революционеры
Основы десятичного счета были заложены в древности — это вполне естественно, ведь у человека на руках десять пальцев. Однако официальным рождением десятичной шкалы измерений длины принято считать 1670 год — ее предложил французский математик и астроном Габриэль Мутон. Пятью годами позже работавший в Польше итальянский архитектор и оптик Тито Ливио Бураттини предложил принять за всеобщую единицу линейных измерений длину маятника, отсчитывающего 3600 колебаний в час. Под колебанием он понимал движение груза от одной крайней точки до другой; в современной терминологии это означает длину маятника с секундным полупериодом. Он назвал ее Всеобщим метром (Metro Cattolico). Если воспользоваться школьной формулой для периода идеального маятника и подставить туда величину ускорения свободного падения, скажем, на широте Москвы, то получится, что эталон Бураттини расходится в длине с сегодняшним метром лишь примерно на полсантиметра (на практике этот способ непригоден: в разных местах земного шара маятник качается по‑разному). Со сходными идеями в 1660 году выступило Лондонское Королевское общество, а в 1668-м — французский астроном Жан Пикар. Бураттини первым осознал, что универсальную единицу длины надо определять не путем простого соглашения, а на основе естественного и надежно воспроизводимого эталона.
Идея оказалась хороша, и ее очень рано попытались реализовать в России. В 1736 году, в царствование Анны Иоанновны, сенатским указом была создана комиссия по мерам и весам, которую возглавил директор Монетного двора граф Михаил Головкин. В ее работе участвовали многие члены Российской Академии наук, включая Леонарда Эйлера. Члены комиссии обсуждали использование естественных единиц (сажень предлагалось определить как известную долю меридиана, а фунт — как вес заданного количества воды), а также кратных и дольных единиц на десятичной основе. Однако для реализации этих предложений у комиссии не было ни денег, ни оборудования. После воцарения Елизаветы комиссию распустили, а дослужившегося до должности вице-канцлера Головкина сослали в Якутию.
В конечном счете метрическая система стала детищем Французской революции. Новая парижская власть осознала необходимость навести порядок в средневековых единицах измерений (число которых достигало четверти миллиона!) и принять единую общенациональную систему мер и весов. 9 марта 1790 года Шарль Морис Талейран, впоследствии знаменитый дипломат, а тогда епископ Отенский, предложил Национальному собранию план ее создания, который и был принят депутатами.
Рождение метра и килограмма
Название «метр» (от греческого metron — мера) в 1790 году придумал парижский преподаватель математики Леблон. 19 марта 1791 года академическая Комиссия мер и весов в составе звезд французской науки Лагранжа, Лапласа, Борда, Монжа и Кондорсе избрала основной единицей длины одну десятимиллионную долю квадранта парижского меридиана и рекомендовала измерить длину дуги меридиана от Дюнкерка до Барселоны на долготе Парижа. Геодезические промеры меридиана начались в 1792 году, но в связи с непростой политической и военной обстановкой затянулись до 1798 года. Поэтому в 1793-м пришлось ввести временный метр, вычисленный на основе прежних геодезических измерений. Тогда же бывший королевский ювелир Этьен Ленуар изготовил из меди первый эталон.
Эталон килограмма почти 120 лет хранится во Франции. За это время его масса уменьшилась на немалую величину (до 0,1 мг). Это цилиндр из платиново-иридиевого сплава 3,9 см высотой и в диаметре. Для ученых плавающая единица измерения — большая помеха, которая отражается на результатах точных работ. Многие эталоны (в частности, метр) со временем были усовершенствованы. Один из претендентов на роль нового эталона килограмма — шар из кристалла изотопа кремния-28, созданный немецкими учеными из Института выращивания кристаллов. Такой эталон включал бы атомы одного типа и имел фиксированную массу.
По предложению Лапласа для обработки данных Академия пригласила ученых из Италии, Испании, Нидерландов, Дании и Швейцарии (что стало первой в истории международной научной конференцией), и весной 1799 года появился официальный эталон длины. Но из-за небольшой ошибки в промерах и сложной формы земного шара метр оказался приблизительно на 0,2 мм короче своей планируемой величины (временный метр 1793 года был точнее!). Изготовление эталонов из платиновых брусков сечением 25,3×4 мм опять поручили Ленуару. 22 июня 1799 года самый лучший из них (ошибка не превышала 0,001%) в торжественной обстановке сдали на хранение в Республиканский архив.
В качестве единицы массы химик Антуан Лавуазье и кристаллограф Рене Жюст Айи предложили в 1793 году французской Комиссии мер и весов использовать грамм — массу одного кубического сантиметра чистой воды при температуре плавления льда. Для удобства практического использования уже упоминавшийся Ленуар изготовил эталонную медную гирю массой в 1000 г. С 1795 года новую единицу массы стали называть килограммом. Через четыре года было принято предложение физика Луи Лефевра-Гиньо взвешивать воду при температуре ее максимальной плотности (4°C). Новый эталон килограмма был изготовлен из платины и помещен на хранение в Архив Республики. Были также сделаны несколько его копий для использования в качестве образцов при изготовлении гирь. Однако произведенные в XIX веке измерения показали, что масса 1 дм³ воды на 0,028 г меньше массы архивного эталона. Чтобы не допустить в будущем никаких разночтений, Международная комиссия по эталонам метрической системы в 1872 году решила принять в качестве единицы массы массу прототипа — Архивного килограмма.
XIX век
Больше 80 лет архивный метр был единственным в мире эталоном метра, а после 20 мая 1875 года представители 17 стран (в том числе и России) подписали в Париже Метрическую конвенцию и учредили несколько межгосударственных метрологических организаций. В 1877 году лондонская фирма Johnson, Matthey and Co. изготовила несколько платиново-иридиевых линеек Х-образного сечения, одна из которых оказалась лишь на 6 мкм короче архивного метра (ее использовали как временный эталон), а в 1882-м было сделано еще 30 линеек, среди которых нашлась практически точная копия архивного метра. В 1889 году Первая Генеральная конференция по мерам и весам постановила считать длину этой линейки при температуре 0 °C метрической единицей длины.
В стронциевых оптических часах ионы стронция помещены в оптическую ловушку на перекрестье шести лазерных лучей. Под воздействием электромагнитных волн лазеров ионы прочно «сидят» в энергетических ямах, слабо взаимодействуя друг с другом и излучая голубой свет с частотой около 429 терагерц. Стронциевые часы в тысячу раз точнее цезиевых, используемых сегодня как эталон времени и частоты. Возможно, вскоре эталон будет заменен.
В 1880 году увидел свет международный эталон килограмма из сплава, состоящего из 90% платины и 10% иридия, тогда же были изготовлены и четыре из шести ныне существующих официальных копий этого эталона. Все они сейчас хранятся под двумя герметичными стеклянными колпаками в сейфе, расположенном в подвале Международного бюро мер и весов (Bureau International des Poids et Mesures — BIPM) в Севре неподалеку от Парижа. В 1889 году 1-я Генконференция по мерам и весам приняла определение килограмма как равного массе международного эталона. Это определение действительно и в наше время.
Абсолютные единицы
На первом этапе метрической системе пришлось преодолеть сопротивление консерваторов, за которыми стояли сила традиций и привычки. «Нет ничего более противного устройству человеческого ума, памяти и воображения… Новая система мер и весов станет помехой и источником трудностей для нескольких поколений», — говорил о ней Наполеон Бонапарт.
Электрические единицы
Определение основной электрической единицы — ампера — остается неизменным с 1948 года. Это сила постоянного тока, который при прохождении по двум расположенным в вакууме и удаленным на метр друг от друга параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и пренебрежимо малой площади сечения заставлял бы их притягиваться друг к другу с силой в две десятимиллионные доли ньютона в расчете на метр длины. Разумеется, изготовить эталон на базе этого определения невозможно, но, к счастью, и не нужно. Ампер можно реализовать посредством измерения силового взаимодействия между токами любой конфигурации, если только правильно рассчитать геометрию прибора. В СССР был принят Государственный первичный эталон ампера, который был реализован с помощью токовых весов, воспроизводящих ампер с точностью до 10–5. Такой же прибор был установлен в британской Национальной физической лаборатории в Теддингтоне (сейчас — Национальная лаборатория измерений). В США ампер сначала был воспроизведен через эталонный вольт (очень стабильные электрические батареи) и эталонный Ом (прецизионные проволочные резисторы), изготовленные и откалиброванные в Национальном бюро стандартов (современный NIST). Отношение вольта и Ома дало эталонный ампер с точностью 10–7. В настоящее время как в США, так и в других странах вольт реализуют с помощью квантового низкотемпературного эффекта Джозефсона, а ом — с помощью квантового эффекта Холла (такой стандарт с 1990 года принят по всему миру). Это позволяет воспроизводить ампер с отклонением, не превышающим 10–9. Однако не исключено, что в будущем определение ампера пересмотрят, выразив его через элементарный заряд электрона.
Становлению метрической системы очень помогли немецкий математик Карл Фридрих Гаусс и его коллега по Геттингенскому университету физик Вильгельм Вебер. В 1832 году Гаусс, который тогда занимался исследованием земного магнетизма, заметил, что магнитным измерениям недостает надежной основы. Все проводимые Гауссом эксперименты опирались на эффекты механического воздействия магнитного поля (скажем, поворот магнитной стрелки), и он предложил ввести новую систему единиц (назвав ее абсолютной), в которой метрические единицы длины и массы вместе с секундой были взяты в качестве основных, а все другие, в том числе и магнитного поля, определялись через них как производные на основе известных физических законов. Гаусс рекомендовал ввести десятичные шкалы для всех физических единиц (кроме секунды, которая с XIII века определялась как 1/86400-я часть средних солнечных суток).
Идеи Гаусса и Вебера подхватили британские физики Джеймс Максвелл и Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин. В 1860-е годы они предложили разработать всеобъемлющую систему единиц для физических измерений на базе гауссовской триады. Так возникла система CGS (сантиметр, грамм, секунда), вместе с которой вошли в обращение приставки от «микро» до «мега». В 1874 году ее утвердила Британская ассоциация в поддержку науки. Еще через несколько лет это общество договорилось с 1-м Международным конгрессом электриков о введении так называемых практических единиц, которые образовывались путем умножения электромагнитных единиц CGS на целые степени десяти и становились более удобными для электротехнических измерений. В их число вошли единицы сопротивления (ом), напряжения (вольт) и силы тока (ампер).
Рождение SI
Некоторое время практические единицы существовали в стороне от метрических. Но в 1901 году итальянский инженер Джованни Джорджи показал, что любую из них можно добавить к метру, килограмму и секунде и получить новую систему, имеющую безупречную логическую структуру и приспособленную для нужд техники. Центральное положение в новой системе, по мысли Джорджи, должны занимать практические энергетические единицы — ватт и джоуль (последний был определен 2-м Международным конгрессом электриков в 1889 году как механический эквивалент электрической и тепловой энергии).
Идеи Джорджи обсуждались без малого полвека и были окончательно приняты Международным комитетом мер и весов лишь в 1946 году. В качестве четвертой опоры (основной единицы) новой системы была выбрана практическая единица силы тока, ампер, определенная резолюцией 9-й Генконференции по мерам и весам (1948). В соответствии с традицией эту систему назвали MKSA (метр, килограмм, секунда, ампер).
Чуть позднее в MKSA решили добавить единицы температуры и силы света. В принципе для этого достаточно энергетических единиц (физики с равным успехом выражают энергию частиц и в электронвольтах, и в градусах), но для метрологии нужны реализуемые на практике эталоны. В 1954 году 10-я Генеральная конференция по мерам и весам утвердила в этом качестве кельвин и канделу. Эта пара плюс еще четыре основные единицы MKSA и стали фундаментом системы Systeme International d«Unites (SI или СИ), наследницы Метрической конвенции 1875 года, официально утвержденной в 1960 году на 11-й Генконференции по мерам и весам в Париже. В 1971 году к этой шестерке добавили еще и единицу количества вещества — моль. Кроме того, в SI вошли дополнительные безразмерные единицы для измерения плоских и телесных углов — радиан и стерадиан.
Пространство и время
Система SI существует чуть больше 50 лет, однако за это время некоторые единицы измерения пришлось переопределить. В частности, метровая линейка уже около полувека не является эталоном длины. В 1948 году 9-я Генеральная конференция по мерам и весам рекомендовала ввести эталон, базирующийся на оптических измерениях, и в 1960-м за метр приняли 1 650 763,73 длины волны излучения криптона-86, генерируемого при переходе оболочечных электронов с уровня 2p10 на уровень 5d5. Но и это определение продержалось недолго. Через два десятка лет после его введения метрологи пришли к выводу, что длину метра следует определить на основе эталона времени, поскольку атомные часы тогда обеспечивали большую точность, нежели интерференционные линейки. В итоге в 1983 году метр определили как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Таким образом, основой метрологического эталона стал постулат специальной теории относительности, который утверждает, что скорость света в вакууме является фундаментальной мировой константой.
Сама секунда тоже с 1967 года не является 1/86400 частью суток, а определяется как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия с атомным весом 133. В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило, что в этом определении фигурирует атом цезия, который покоится при нулевой абсолютной температуре. В новейших моделях цезиевых часов (их называют фонтанными) это требование почти идеально реализуется с помощью лазерного охлаждения атомов. Эталонные цезиевые часы американского Национального института стандартов и технологии (NIST) сейчас обеспечивают относительную точность воспроизведения единицы времени — секунды на уровне ~ 3,3×10–16. «Это самые точные часы в мире, — говорит Виталий Пальчиков, начальник отделения метрологии времени и пространства ФГУП «ВНИИФТРИ» (Всероссийский НИИ физико-технических и радиотехнических измерений). — Наши эталонные часы уступают им почти в 100 раз: российский государственный стандарт времени и частоты — цезиевые часы «без охлаждения' — имеет относительную точность 3×10–14. Но в ближайшее время мы намерены ликвидировать отставание, построив фонтанный цезиевый эталон. А вообще, наилучшую перспективу на ближайшее будущее имеют оптические стандарты частоты, основанные на переходах в однократных ионах ртути, иттербия или стронция или в нейтральных атомах стронция или ртути — они чрезвычайно стабильны во времени. Уже сейчас точность отдельных экспериментальных образцов достигает 2×10–15 секунды и даже выше, а теоретически они способны обеспечить точность воспроизведения единиц времени и частоты на уровне 10–17–10–18».
Последний оплот механики
Единственный оставшийся «механический» эталон — это килограмм. Но даже масса главного международного эталона со временем меняется — к настоящему времени считается, что он «похудел» на 50 мкг за счет микропереноса вещества на поверхность подставки во время хранения, а также на поверхность захватов, которыми его перемещают при сверке с национальными эталонами.
Все это может искажать результаты сверхточных научных расчетов, поэтому ученые задумываются о необходимости дать новое определение килограмму. В 1975 году доктор Брайан Киббл из Национальной физической лаборатории (NPL) Великобритании предложил идею так называемых ватт-весов. Это устройство позволяет связать между собой единицы электрической и механической мощности. «Эта связь — основа метрологии, — объясняет «Популярной механике» ведущий научный сотрудник Всероссийского НИИ метрологии им. Д.И. Менделеева Эдмунд Француз. — Весы состоят из двух катушек, взаимодействующих между собой при протекании электрического тока. В отличие от токовых весов, здесь используется дополнительная калибровка при движении катушки с известной скоростью в эталонном магнитном поле. За счет этого удается существенно уменьшить ошибку измерения силы взаимодействия, обусловленную геометрией катушки. Таким образом можно выразить килограмм через электрические единицы, измеренные на основе квантовых эффектов, то есть через фундаментальные константы, — это позволит избавиться от «механического» эталона. Пока что работающие ватт-весы реализованы в США в NIST и в NPL, но на данный момент наименьшая погрешность их измерений составляет 3,6×10–8, что минимум в два раза хуже, чем необходимо для эталона». Другой способ переопределить килограмм предложила группа ученых из Германии, Австралии, Италии и Японии под руководством исследователей из Физико-технического института Германии. Они намерены использовать «метод Авогадро», то есть определить килограмм как энное число атомов. «Основные трудности этого метода в том, что нужно построить идеальную кристаллическую решетку, — говорит Эдмунд Француз, — без единого дефекта, и притом из одного изотопа — кремния-28. Относительная погрешность этого метода пока еще слишком велика — 3,1×10–7. Кстати, было еще одно направление, которое разрабатывалось у нас во ВНИИМ и в Японии, — метод левитирующей сверхпроводниковой массы, который обеспечивал точность порядка 4×10–6. Но по различным причинам исследования не были завершены ни в одной из стран». Так что килограмм пока остается последним чисто механическим эталоном.
